Если объяснять упрощенно, что такое Атмосферное Электричество (АЭ), то лучше всего подходит школьное определение, говорящее, что на каждый метр расстояния от поверхности земли приходится примерно 130 вольт напряжения, возникающего из-за того, что ионосфера планеты бомбардируется солнечным излучением. Понятно, что 130 В/м — это усреднённое значение и на него влияет множество условий, поэтому, следуя старой русской поговорке, в которой говорится, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать», осенью 2011 собрал небольшой прибор для визуального контроля состояния АЭ и зимой-весной 2012 года провёл несколько наблюдений.
Суть эксперимента проста – преобразование атмосферного тока в напряжение. Происходит это на резисторе, один конец которого заземлен, а другой подключен к проводнику, имеющему на противоположном конце датчик в виде «антенны-метёлки», располагающейся в воздухе на некотором расстоянии от земли (рис.1). Затем сигнал с резистора отфильтровывается и усиливается электронным блоком, с выхода которого подаётся в компьютерную звуковую карту. Карта была доработана (открыты входы по постоянному напряжению) по рекомендациям журнала «Радио» №6 2007 (статья «Компьютерный измерительный комплекс», автор – О.Шмелёв). Для записи используется программа SpectraLAB.
Рис. 1
На крыше жилого пятиэтажного дома было установлено пластиковое удилище и к нему прикреплено шесть метров провода КСПВ 2х0,5 (в двойной изоляции) с металлической метёлкой на верхнем конце (61 иголка, напаянные на 20-сантиметровые куски провода ПЭЛ-0,9. Провод КСПВ соединён с центральной жилой РК-75, оплётка которого вверху, на крыше, ни к чему не подключена, а внизу, на рабочем месте, заземлена на железобетонный каркас дома. Места соединения провода КСПВ с центральной жилой кабеля и экран коаксиала в этом месте были тщательно заизолированы от соприкосновения с воздухом. Коаксиал (простой телевизионный, RG-6) применён для того, чтобы ослабить помехи от близко расположенных компьютеров и другой импульсной шумящей техники.
Один из вариантов схемы электронной части показана на рис.2:
Рис. 2
К входным клеммам подключен резистор R1 – это для того, чтоб на «метёлке» не накапливался высокий потенциал при выключенном S1. При включении же S1, параллельно R1 подключается резистор R2. И если внутреннее сопротивление каскада на ОР1.1 не учитывать, то получившееся входное сопротивление прибора можно оценить как 910 кОм. Эти два резистора и являются датчиками состояния АЭ. В некоторые «рабочие» моменты регистрации на них развивалось напряжение более 0,5 вольт, что вызывало уход графика за пределы компьютерной шкалы измерений, поэтому позднее был введён ещё один резистор – R3, сопротивлением 100 кОм. При его подключении выключателем S2 Rвходное прибора становится около 90 кОм, соответственно и напряжение на входе становится в десять раз меньше.
Первый фильтр низкой частоты на R4C1 настроен на частоту около 7Гц. Конденсатор составлен из 2-х, включенных параллельно, марки СГМ-4 – с малыми токами утечки. На ОР1.1, ОР1.2 и ОР2.1 собран усилитель с большим входным сопротивлением (по справочнику, более 10 ГОм) и возможностью подавления синфазной помехи (в данном варианте не используется). Точнее, это не слишь «усилитель», сколько «входной блок» с усилением чуть больше единицы. Такой «малый» коэффициент усиления выбран лишь для того, чтоб наводимая помеха от сети 50 Гц не вводила ОУ в режим ограничения сигнала. После ОР2.1 стоят ФНЧ на R13C5, двойной Т-мост на частоту 50 Гц и ещё один ФНЧ на R17C9. Такие же цепи с такими же номиналами деталей стоят и после ОР2.2, который усиливает сигнал чуть более, чем на 21 dB. На ОР3 собран выходной буферный повторитель. В него введена коррекция «нуля», потому что при большом сопротивлении источника сигнала (около 2 Мом) на выходе ОР1.1 появляется постоянная составляющая. Подключении между 5 ножкой ОР1.2 и земляным проводом такого же 2-хмегаомного резистора проблему не решило, поэтому просто ввёл в схему R25 в цепь коррекции «нуля» ОР3. На месте ОР1 и ОР2 были проверены операционные усилители марок LM833, NE5532 и TL072. Вместо К544УД1 ставились КР140УД608, УД708. Все показали примерно одинаковый результат (при использовании операционников 140 серии резистор коррекции «нуля» подключается между 1 и 5 ножками).
Все детали на плату припаиваются с одной стороны. Большинство из них – SMD. Конденсаторы двойных Т-мостов составляются из нескольких и подбираются по прибору (например, 106н2 = 100н + 6н2) с последующей экспериментальной проверкой моста по подавлению. Перед проверкой надо обязательно дать деталям остыть до комнатной температуры – иначе параметры уплывают. Не обязательно добиваться максимального подавления именно на частоте 50Гц – можно один мост настроить на 1-3 Гц выше, а другой – ниже. В таком варианте больше вероятность того, что всё будет работать даже при изменении температуры внутри блока или частоты сетевого напряжения.
Размеры печатной платы (рис.3) – 60х40 мм. Крепление деталей R1, R2, R3, R4 и C1 выполнено вне платы, навесным монтажом, прямо на контактах S1 и S2. Переключатели выбраны ТП1-2, новые, перед пайкой были разобраны, почищены и промыты спиртом
Рис. 3
К площадке «In» на рис.3 подпаивается проводник, идущий от точки соединения R4 с C1. Хотя, если С1 перенести на плату, то правый по схеме конец R4 тоже припаивается к площадке «In». При начальной проверке платы и последующей настройке, надо между этой площадкой и землёй впаять резистор. К примеру, 10 кОм. Такой же резистор можно припаять и между пятой ножкой OP1 и землёй – место под него разведено. Белые толстые линии на рисунке платы – это перемычки, выполненные проводом МГТФ.
При монтаже операционных усилителей обратите внимание, что они стоят «лицом» друг к другу, т.е. один развёрнут на 180 градусов относительно другого.
Схема чувствительна к наводкам, поэтому к качеству монтажа надо подойти с полной ответственностью. Все провода, в том числе и питания, должны быть жёсткими и не должны болтаться внутри корпуса. Все земляные проводники припаиваются к плате в одну точку около OP1. Провод, идущий к входной сигнальной «земле» должен быть максимально коротким – не более 5-7 см. Плата изготовлена из 2-хстороннего текстолита и пропаяна по черным точкам на земляных площадках рисунка голым проводником. Естественно, кроме мест под площадками «In», «Out», «+12» и «-12». Под ними, с другой стороны платы, удаляется фольга, далее берется три сантиметра голого лужёного провода диаметром около 0,6-0,8 мм, который сгибается пополам и вставляется в эти отверстия так, чтобы со стороны деталей получились проволочные стойки. К этим стойкам и припаиваются все входящие и выходящие провода. Можно фольгу под площадками не удалять, а сделать «пятачки», к которым припаять стойки – так будет механически надёжней. После полной проверки работоспособности конструкции, плата покрыта тонким слоем клея БФ, разведенного в спирте.
Корпус конструкции должен быть металлическим – например, от компьютерного блока питания, и толстым коротким проводником должен соединяться с точкой «земля» на плате. Входные резьбовые разъёмы закреплены на пластине из хорошего диэлектрика подходящего размера (можно применить оргстекло). Выходной разъём – стандартный звуковой minijack 3,5″. Питающие провода впаяны напрямую. Блок питания сначала использовался выносной — лабораторный, двуполярный. При самостоятельном его изготовлении следует обратить внимание на долговременную стабильность выходного напряжения и его малые шумы (конденсаторов побольше поставить). Затем решил, что питание проще брать с компьютера – они же в данном варианте работают всегда вместе, поэтому в корпусе от старого CD-привода были собраны дополнительные LC фильтра по +12В/-12В и отдельный блок питания стал не нужен.
Общий коэффициент усиления прибора около 20dB (10 раз). Подавление на частоте 50Гц – около 170dB. Цифра, конечно, теоретическая, реально не выполнимая, взята из программы RFSim99, где и проводилось предварительное моделирование каскадов. На рис.4 приведён график АЧХ из этой программы. Частота среза по уровню -3dB – около 2,5Гц. На частоте 10Гц затухание 25dB, а на частотах выше 50Гц — более 130dB.
Рис. 4
Теперь немного про «измерительную землю». «Земля» нужна реальная, ну, или максимально приближённая к реальной. Так как сам живу в стандартной панельной пятиэтажке, могу сказать, что хорошим выходом в этом случае является подключение к арматуре каркаса здания. Так как все несущие плиты сварены между собой, то дом можно представить, как один большой объёмный проводящий кирпич, лежащий на земле. Проще всего подключиться к металлическому ограждению балкона. Очистить от краски, просверлить отверстие, нарезать в нём резьбу или просто насквозь вставить болт с гайкой, занимает не более часа времени. Прижав гайкой достаточно толстый провод и заведя его к рабочему месту, получаем хорошую электротехническую землю. Если сеть в доме старая, 2-хпроводная (т.е. лишь нулевой и фазный провод), то к этой «земле» надо так же подключить и корпуса компьютера и монитора (лучше сразу капитально в удлинитель, питающий оргтехнику). Ко всем этим манипуляциям надо относиться очень серьёзно и с пониманием того, что Вы делаете! Нужно обладать хотя бы начальными знаниями по электротехнике, т.е. отличать «ноль» от «земли». В противном случае лучше ничего не делать и с АЭ не экспериментировать! Жителям же старых кирпичных домов можно посоветовать попробовать подключиться к водопроводной трубе с холодной водой (эти трубы по старым гостам должны быть в подвале приварены к заземлению дома). Ну, а счастливым обладателям современной «трёхпроводки» в квартире, нужно, скорее всего, просто соединить отдельным проводом входной «земляной» разъём конструкции с корпусом компьютера (например, надёжно прижать под один из крепёжных болтов блока питания).
После сборки и настройки конструкции, установки «метёлки» на крыше и проведения заземления, нужно изменить настройки в программе SpectraLAB. Главная цель – сделать так, чтоб получаемые файлы были минимально возможного размера. Для этого в меню «Options», команде «Settings» выставляются параметры как на рис.5, чтобы максимальная обрабатываемая частота была 50Гц:
Рис. 5
Правда, при этом сильно сбивается таймер записи и по прошествии реальных тридцати минут он начинает показывать, что прошло чуть больше часа и двадцати 2-х минут, но это не очень мешает. Можно, конечно, выставить минимальные стандартные установки с нормальной работой таймера, но при этом получасовая запись будет занимать объём 14 Mb. В первом же случае получаются всего 2-хмегабайтные файлы.
После всех проверок и настроек нужно выключить S1 и провести пробную запись длительностью несколько десятков минут, допустим, тридцать-сорок. Полученная на графике линия должна быть достаточно тонкой и не уходить от нулевой отметки далее, чем на полделения при выставленном в программе значении Plot Top=0,5. Уход может быть связан лишь с прогревом при включении блока. Если на линии есть некоторая «лохматость» от наводок и пульсаций питания, то она не должна быть более четверти деления при Plot Top=0,5 (практически можно добиться и более мелких отклонений и девиаций линии).
Теперь самое интересное — результаты наблюдений. Как пример, на рисунках 5-7 приведены круглосуточные записи с полудня 6 по утро 10 марта с ремарками о погодных условиях. Записи делались длительностью от получаса (днём) до 7-8 часов (ночью). Затем скриншоты в графическом редакторе «склеивались» в один суточный кусок для просмотра долговременного состояния. Каждый следующий из приведенных здесь рисунков является продолжением предыдущего. Линия нулевого потенциала – это та, около которой колеблется график в дневное время. Начинаются все записи в 7:30 утра. Временная шкала – вверху. Время восхода и захода солнца представлены символами «солнышко». Сумерки у нас длятся около 2-х часов. График отклоняется на одно деление шкалы «Y» при входном сигнале 0,95 мВ. Ток, протекающий при этом через входные резисторы общим сопротивлением 910 кОм, соответствует 1,044 нА.
6 марта (рис.6). Утро было ясное, безветренное. Давление высокое. Температура -10. Днём воздух прогрелся до нуля градусов. Данных о ветре нет.
Рис. 6
7 марта (рис.7). Ясноё тихое утро. Температура -15. После 15:00 ветер 3-5 м/с, воздух прогрелся до +1. С крыш течет, на дорогах ручьи.
Рис. 7
8 марта (рис.8). Утро ясное и безветренное. Температура -19. После 15:00 ветер слабый, около 1 м/с. Температура +3. Капель, ручьи. Около 21:00 взошла полная луна. После 22:00 температура -2. Ночью график так и не ушёл в отрицательную зону.
Рис. 8
9 марта (рис.9). Утро ясное и безветренное. Температура -16. После 11:00 ветер был около 2-3 м/с, а к 13:00 уже 3-5 м/с. К 16:00 температура в тени +3. Солнце. Капель. Ручьи на дорогах. К 18:00 ветра уже нет. В 20:00 температура была -2.
Рис. 9
Короткие большие всплески в дневное время – это колебания потенциала, связанные в основном с движением воздуха – порывы ветра и пролетающие рядом с «метёлкой» птицы. В растянутом виде эти импульсы выглядят так, как показано на рис.10 (длительность всего участка – чуть более минуты):
Рис. 10
Ниже показаны ещё два рисунка, на которых запечатлены моменты с дождём ночью:
4 апреля (рис.11). Утро безоблачное, ветер 1-2 м/с. Температура -1. Давление 755, днём упало до 750. К 10:00 на небе появилась лёгкая дымка и ветер 2-3 м/с. К 12:00 небо в плотной белой дымке, солнца не видно, ветер 10-15 м/с. После 16:00 небо очистилось, температура +15, но к 20:00 всё опять заволокло облаками. После 21:00 температура +10, давление 740. Ночью прошёл дождь – видно, как кривая ушла в отрицательную зону (примерно с 3 ночи до 5 утра).
Рис. 11
5 апреля (рис.12). Утро безоблачное и безветренное. Температура +5. Давление 750. К 12:00 на небе появились легкие кучевые облака, ветер до 5-10 м/с. К 16:00 солнца совсем не видно за облаками, ветер ослаб до 3-5 м/с, но к 17:00 облака разбежались, ветер 5-7 м/с, солнце. После 21:00 начался дождь.
Рис. 12
Ну, вот, вроде и всё. Прибор, как инструментальный усилитель, с некоторыми переделками можно использовать и в других измерительных целях, но это уже как говорится, совсем другая история…
Более подробно узнать про атмосферное электричество можно из статей В.Т.Полякова.
По возникшим вопросам пишите на sibmon@yandex.ru
Андрей Гольцов, г. Искитим
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- atmospheric_electricity.rar (19 Кб)