WDKeeper`s Journal

Или операция "Дай прикурить уфологам". :) Тема уже не нова, первые расчеты были еще в начале августа. Магнитометр разрабатывается с целью поиска природных магнитных аномалий. Тоесть как возможный вариант детектора Активных Зон (АЗ). Разработка велась параллельно для http://forum.mag.org.ua и http://praktika.forum24.ru , так что это кросспост.

Продолжая тематику приборостроения.
Я вознамерился попробовать улучшить предложенный прибор для фиксации ЭМИ. Практика показывает, что поднесением к чувствительному элементу-катушке руки, китайский тестер стрелку отклонять отказывается. Мультиметр (пусть самый дорогой из доступных пользователю, тоесть я уверен что где-то там наверняка бывают и круче, но не у нас, или не для простых смертных) на чувствительности в 200 милиВольт только показывает смену направления тока, само напряжение в катушке при движении руки слишком мало, хотя смена направления тока это уже что-то. Так как хотелось бы фиксировать более слабые поля, чем от живого человека, то соответственно пришла мысль о модернизации чувствительного элемента. Мне представлялись при этих словах ряды мелких катушек, все разного диаметра (а позже и разной ориентации в пространстве), все это безобразие запаяно в аккуратный корпус и мы имеем только две клеммы снаружи. Итого, небольшие габариты, удобная транспортировка, повышенная чувствительность... Но это все несбыточно, достаточно влезть в учебники. Начнем с множества катушек, рассчитанных на разную чувствительность. Их можно соединить или последовательно или параллельно, но ни то, ни другое неприемлемо, так как при последовательном соединении ЭДС катушек будет суммироваться (и соответственно никакой информации о поле сказать будет нельзя, кроме того что оно есть, даже сопоставить разные поля), а при параллельном ЭДС будет средним арифметическим ЭДС с разных катушек (что будет сводит показания системы к нулю). Если пользоваться системой катушек, то они должны быть автономны, и каналы их опроса тоже, что дико увеличивает габариты и стоимость такой измерительной системы. Поэтому красивые медные ажуры, шарики и лампочки обмотанные проволокой пришлось отбросить и вернуться к единичному соленоиду.
Если опустить пояснения (надеясь что читатель сам не поленится обновить свои знания), то формула для определения ЭДС в катушке, равномерно вращающейся в магнитном поле, выглядит так: ЭДС=ПСИэм*омега*синус(омега*тэ), где ПСИэм - амплитудное значение полного магнитного потока, ПСИэм=Эн*Бе*Эс (где Эн-количество витков на катушке, Бе-индукция магнитного поля, Эс-площадь охватываемая витком); омега - угловая скорость вращения катушки в магнитном поле; тэ - время вращения.
На основе этой формулы можно установить какими параметрами должен обладать датчик. Если действовать по логике, то датчик должен фиксировать ЭМ поля более мощные, чем фоновое земное. Так как мультиметр имеет точность до 1 милиВольт, примем что это ЭДС порождаемое фоновым магнитным полем. На широте 50° магнитная индукция в среднем составляет 2*10^-5 Тл, а на экваторе (широта 0°) — 3,1*10^-5 Тл. Ориентируясь на широту 50° подставим ЭДС и Бе в формулу. Примем что время вращения катушки 1 секунда, и что ее угловая скорость вращения равна 2Пи радиан/секунду, что значит, что за 1 секунду она делает полный разворот. Подставим в формулу. Эти числа выбраны так, как было бы удобнее вращать коробку с датчиком. Получаем: 0,001В=Эн*2*10^-5*Эс*2Пи*синус2Пи; Эн=1/(2*10^-2*Эс*2Пи*синус2Пи) = 1/(Эс*4*10^-4) = 1/(Эр^2*1,256*10^-3). Эр здесь радиус витка катушки. Минус, иногда возникающий возле синуса, свидетельствует о направлении течения тока в катушке и нас не интересует.
А теперь итерационным методом подберем удобные параметры катушки-датчика. Я избавлю вас от вычислений и приведу несколько вариантов ответов. При Эр=5см количество витков Эн=318471,3шт, что уже настораживает, длинна проволоки в катушке составит 10 000 000 м. Согласитесь, это никуда не годится, это четверть длинны экватора. Значит придется отказаться от удобного радиуса. Далее при Эр=10см Эн=79617,8шт и длинна проволоки составит 50 000 м это уже получше, но все равно 50км медной проволоки вручную навитые в 80000 витков, понизят мораль кому угодно. Придется брать совсем неудобный габарит. Далее, Эр=25см (такой датчик уже придется носить как патронную ленту, через плечо), Эн=12738,9шт, длинна составит 20 000 м. Дальше радиус увеличивать бесполезно, так как датчик не сможет принимать участие в полевых измерениях (хотя пожалуй до диаметра в 1м еще куда не шло, но это даст не так много, вобщем это выносится на обсуждение). Также я прикинул массу такого датчика. Если взять провод 0,1мм, то датчик будет всего 5,6кг (недешевое удовольствие, хотя и вполне транспортабельное), но стоит учесть, что это только масса меди, я не знаю какой процент массы проволоки еще добавит изолирующее керампокрытие. Еще к явным минусам такого датчика надо отнести его хрупкость (он перестанет работать, если порвется хоть один из 13 000 витков довольно нежной проволоки, потому ему придется сделать кожух); человеку, несущему датчик, чтобы замерять магнитное поле согласно вышеописанных условий, придется научится проворачивать эту конструкцию на 360° за одну секунду, и чтобы при этом не менялась геометрия контура (я понимаю что неудобно, особенно если нести через плечо, то придется наловчится вертеться вокруг своей оси а иначе если уменьшить скорость, то снова резко возрастет длинна и количество витков). Есть и плюсы: это должно работать(это очень весомый плюс, который иногда даже минусы может перекрыть).
Итак, будущее самодельного ручного индукционного прибора для фиксации аномальных ЭМИ выглядит неважно. В любом случае китайский тестер можно оставить в покое, он покажет только поле в пару сотен Тесла, а я думаю такой ад будет хорошо видно визуально. В промышленности изготавливают такие приборы, но они не на принципе индукции, а с особым вращательным кремниевым пьезодатчиком, к сожалению, в домашних условиях такого не сделать (а даже если вывернуться как-то, то он будет очень нежным для походных условий, и очень неточным). Есть еще один выход, если бы были данные по существующим аномальным полям, чтобы можно было уменьшить чувствительность прибора и подстроить его под них, то он стал бы поменьше (насколько - зависит от самих данных). Приглашаю всех к обсуждению (особенно возможных промахов) и высказывать предложения по прибору.

Более позднее уточнение:
Ну вот начинается К сожалению в вычислениях была допущена грубая ошибка. ЭДС в кажды момент вращения катушки разный, в зависимости от угла между нормалью к плоскости катушки и вектором магнитной индукции. Так как омега*тэ это закон вращения катушки, то надо было принять синус омега*тэ за единицу (максимальное значение синуса) и всё. Вместо этого была проведена очень неудачная подстановка, когда синус омега*тэ был практически равен нулю (от этого его удерживала только погрешность выражения числа Пи). Так что проведу новые вычисления. Так как всвязи с этим датчик будет уменьшаться в габаритах, то я подниму чувствительность прибора к природному полю до 10милиВольт, чтобы мочь его фиксировать. Скорость вращения оставлю пока той-же.
0,01В=Эн*2*10^-5*Эс*2Пи*1; Эн=1/(2*10^-3*Эс*2Пи*1) = 1/(Эс*1,256*10^-2) = 1/(Эр^2*3,944*10^-2).
При Эр=5см => Эн=10142шт, Эль=3184,58м, что радует несказанно больше чем предидущие результаты и вспоминая о них кажется что этих три километра - всего ничего Масса катушки будет 0,89кг.
Подниму диаметр катушки до 20 см, чтобы уменьшить вес и длинну проволоки.
При Эр=10см => Эн=2535,5шт, Эль=1592,3м, и это пожалуй будет золотой срединой между массой/стоимостью/временем на изготовление с одной стороны и диаметром/удобством в применении с другой. Масса катушки будет 446грамм. Такую катушку изготовить уже вполне реально, остается найти какой-нибудь электродвигатель на разборку. Еще примечание, если вращать катушку в поле с скоростью большей чем рассчетная в 1 оборот на 360° за 1 секунду, то она будет давать большее напряжение (но помоему это уже будет неудобно), если с меньшей скоростью - то меньшее.
Также есть предложение как можно изготовить многокатушечный датчик. его можно сделать из электродвигателя, срезав как можно большую часть статора для облегчения и устранения экранирующего эффекта, оставив только связь основы с креплением подшипников и щеток. Но тут возникают новые трудности: электродвигатель на роторе которого достаточно места для катушки диаметром 20 см довольно тяжел, даже после обрезки статора. Конечно можно построить легкий деревянный корпус, тоже со статором и ротором (только легкими самодельными) и с передачей тока через щетки. Но все равно, хоть масса такого чуда вряд ли будет больше 4 кг (на 3-4 катушки), габариты его не позволят нормально пользоваться им в полевых условиях, он займет пол рюкзака и будет неустойчив к ударам. Зато будет гарантированно и устойчиво ловить любые отклонения в ЭМ поле.

Исходя из того, что нужной проволоки достать не получается уже 2 месяца, разработки пошли дальше. На днях открыл для себя магниторезисты (отдельное спасибо bahamot). Конечно приборчик на их основе будет сложнее предлагаемого ранее, и потребует от желающего его создать базового уровня знаний электроники. Пока это только наметки и принципиальная схема, детали будут, когда я подробнее разберусь что к чему.