Poster-Elektrofeldmu..

Projektpraktikum 2013 - Elektrofeldmühle
Motivation
Florian Franz, Daniel Gerz und Niklas Luhmann
An der Universität Konstanz
Entwicklung und Bau einer „Feldmühle“ zur Messung
des elektrischen Feldes der Erde
Funktionsprinzip der Feldmühle
Langzeitmessungen um Schwankungen bei
detektieren und messen zu können
Signalverarbeitung
Gewittern
Ziel
● Umwandlung zweier verrauschter, gegenphasiger
Signale im mV-Bereich in leicht zu messendes DC-Signal
Elektrisches Feld
Geerdeter Rotator schirmt abwechselnd
Sektoren auf der Sensorplatte ab.
Rotor
E-Feld → Influenz → Potentialdifferenz.
Verbindung gegenüberliegender Platten
Herausforderung
● Signal-to-Noise bei Schönwetter-E-Feld: <1
Schwaches E-Feld
Verstärker
Störquellen:
● Peaks: Kommutator des Motors
● Netzfrequenz mit
● Messsignal überlagert
Sensor Platten
●
●
Motor
→ Messbarer Wechselstrom
Ausgangsspannung
Theoretischer Feldverlauf bei geöffneter bzw. geschlossener Sensorplatte
Hauptstörquellen: Kommutator des Motors und
50Hz Netzfrequenz
Lösung
● Differenzenverstärker: gemeinsame Offsets/Störungen
→ Mitteln sich raus
Starkes E-Feld
> 123,5 V
Signalamplitude bei Erdfeldmessungen:
1mV~50mV
Saubere Schwingung
● Einfache Verstärkung möglich
●
●
Gleichrichter und Integrierer: leicht messbares DC-Signal
~ 65 V
< 0,65 V
geschlossen
Eingänge
geöffnet
Differenzenverstärker
BNC-Ausgang
Integrierer
Gleichrichter
Messungen
Zusammenhänge Messgrößen und Parametern
Konstruktive Herausforderung
näherungsweise Linear.
Kompakt , Stabil und Mobil
●
Optimaler Wechsel zwischen
→ Motorspannung und Ausgangsspannung hängen auch linear zusammen.
Abschirmung und Durchgriff des Feldes
Langzeitmessung
2,5
2,5
2
●
●
●
Fazit und Ausblick
Äußeres Metallgehäuse → Faradayscher Käfig
BNC- Ausgänge für einfache Datenübertragung zum CassyModul
2
1
1
0,5
0,5
0
0
0
0
0,5
0,5
1
1
Feldstärke [kV/m]
Feldstärke [kV/m]
1,5
1,5
2
2
3
3
2,5
2,5
2
Messwerte bei 4 kV/m
Messwerte
bei 4 kV/m
Lineare
Regression
Lineare Regression
2
1,5
1,5
1
1
0,5
0,5
0
0
1
1
1,5
1,5
2
2
2,5
3
3,5
2,5
3
3,5
Motorspannung [V]
Motorspannung [V]
4
4,5
4,5
4
5
5
Messung im Garten (ca. 10m Abstand von Häusern) zwischen 0:30 und 9:30 zeigt
Zylinder-Stufenbau aus Kupferplatinen
Isolierter, elektrischer Motor mit regelbarer Spannung
Messwerte bei 3V Motorspannung
Messwerte
bei 3V Motorspannung
Linearer
Regression
Linearer Regression
1,5
1,5
Lösung:
●
Spannung nach Verstärker [V]
Spannung nach Verstärker [V]
Abschirmung von Störquellen
Spannung nach Verstärker [V]
Spannung nach Verstärker [V]
●
→
→
Genaue E-Feldmessungen sind möglich!
→ Weniger Streuung während der Nacht (elektrische Geräte)
→ Anstieg zwischen 2 und 6 Uhr fiel mit einem vorbeiziehendem Gewitter zusammen
0
Erste Langzeitmessung Motorspannung 3,5 V Verstärkung 4;3
Erste Langzeitmessung
Motorspannung 3,5 V Verstärkung
4;3
4
6
2
0
5
2
4
8
6
8
5
4
Signal ist linear zum E-Feld
4
4
4
3
3
3
3
2
●
Eichskala für verschiedene Messstufen und Messbereiche
2
2
2
1
1
1
1
0
●
Feldstärken bei unterschiedlichen Wetterlagen.
●
E-Feldverläufe auf Jolle, Wald und Wiese
5
5
Ausgang in V
Ausgang in V
➔
→ Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und E-Feldstärke
0
0
2
0
Zeit in h
4
2
4
Zeit in h
Zeit in h
0
6
0
8
6
8
Danksagung: Besonderer Dank geht an Thomas Lorenz, welcher uns in vielen Stunden der Verzweiflung zur Seite stand; an Herrn Runge, immer hilfsbereit und stets eine Antwort parat und an Herrn Kohlöffel für großes Interesse und Bereitstellung von Werkzeugen