Durante algum tempo estudei a arquitetura usada na construção de meu primeiro voltímetro eletrostático, procurando melhorá-la. O primeiro instrumento que construí, embora capaz de evidenciar que era sim capaz de detectar e quantizar campos elétricos constantes, não serviu na prática para medições objetivas dada a necessidade de sua constante calibração e pouca sensibilidade, além de constar com uma mecânica pouco aprimorada, o que levava o mesmo a apresentar vibrações devido ao desbalanceamento das suas pás, construidas de forma rudimentar.

Decidi então implementar um instrumento mais sofisticado, usando um conversor A/D de 12 bits, um circuito de amostragem menos improvisado e melhor mecanicamente e contando com indicação do campo elétrico em um display LCD. Meu novo field mill também dispõe de uma interface serial RS232 que permite sua conexão a um computador, o que permite a geração de gráficos em tempo real do campo elétrico. O software que escreví para ele gera streams de bits na porta serial compatíveis com um software de interface de instrumentos comerciais.

Estas facilidades possibilitam experimentos interessantes, como a observação do aumento do potencial com o funcionamento de uma máquina eletrostática, por exemplo.

Para a implementação do meu novo projeto decidi usar a caixa de uma fonte pifada de computador. A caixa metálica tem dimensões adequadas, considerando que o projeto foi feito pensando em um equipamento portátil e protegido de pequenos acidentes. Usei um display de 4 linhas por 20 dígitos com luz de fundo. O motor usado no obturador mecânico é de gravador cassete e tem controle de velocidade, o que assegura uma velocidade de amostragem fixa. Isto facilita o uso de um filtro passa faixas fixo entre o amplificador de entrada e o conversor analógico digital, rejeição a ruídos melhorada e maior sensibilidade.

Case do meu segundo field mill. Pode-se observar a interface serial (foto da esquerda) e o obturador mecânico (foto da direita)

Depois de pronto, resolvi testar meu medidor de campo elétrico em conjunto com minha fonte digital de alta tensão. Usei um disco de metal de 35 cm de diâmetro ligado ao terminal de alta tensão de mimha fonte, que foi então ajustada para gerar 5 kV fixos. A 20 cm de distância (ou seja, 1 / 5 de metro) coloquei meu field mill, com sua interface RS232 ligada a um PC rodando o software do fabricante Boltek. As fotos a seguir elucidam a montagem. O software que utilisei pode ser baixando do endereço http://www.boltek.com/EFM-100_V115_Install.exe.

Apliquei diferentes voltagens ao disco de metal e medi com meu voltimetro eletrostático. os valores estão tabulados abaixo.

Voltagem gerada pela fonte            Valor lido        Distância        Tensão calculada         

4kV                                                20,18 kV/m     0,20m            4,04 kV

5kV                                                25,52 kV/m      0,20m           5,10 kV

6kV                                                30,82 kV         0,20m            6,16 kV

Para até esta distância (ou seja, 50% do diâmetro do disco plano) o campo elétrico é, aparentemente, uniforme, e as medidas que realizei comprovam serem possíveis medições de tensão sem contato galvânico com boa exatidão. Além, é claro, de comprovar que meu field mill funciona perfeitamente!

Minha fonte de alta tensão digital tem uma facilidade que desenvolvi, que é a de gerar varredura de voltagens (voltage sweep). Decidi testar isto com meu field mill para ver sua linearidade a sinais variando dinamicamente. Que grata surpresa! Não somente minha fonte digital funciona perfeitamente, como pude registrar a variação do campo elétrico.
A foto a seguir mostra o resultado. O sweep programado foi de 1 a 6 kV, com tempo de 40s para a varredura. Observe que o intervalo entre uma divisão vertical é de 1 minuto (60s) e isto corresponde a exatos 1 1/2 ciclos da rampa registrada.

A foto seguinte mostra o resultado de um sweep de 1kV a 5 kV com tempo de varredura de 10 s.

E chegou o dia da prova final! Ante o aviso de tempestade chegando aqui em Porto Alegre, decidi colocar meu novo field mill na rua a monitorar o campo elétrico na atmosfera. Á medida que chegavam nuvens de chuva, pude claramente observar o aumento do campo elétrico. Registrei os valores dos últimos minutos antes de iniciar a chuva, pois meu instrumento não foi construído para funcionar molhado - esta deve ser minha próxima versão!) usando o software da Boltek, cujo resultado está a seguir. 

Pode-se observar no gráfico o expressivo aumento do campo elétrico com a aproximação das nuvens carregadas e o instante em que ocorreu uma descarga entre duas nuvens. Lamentavelmente começou a chuva e tive que recler meu aparelho. Mas o efeito da descarga, com a subita diminuição do campo elétrico, ficou bem evidente. 

Detalhes do software desenvolvido para o field mill

O software escrito é tal que ao ligar o equipamento apresenta a mensagem de "hello" e em seguida pede para que se cubra o obturador, permitindo assim o zeramento do dispositivo. Se isto não é feito, e ligarmos o equipamento em um local submetido a algum campo elétrico, isto poderá introduzir um offset indesejado na medida, daí o porque da solicitação para que o obturador seja tapado.

Telas iniciais do software desenvolvido para meu segundo field mill.

Uma vez inicializado, meu field mill passa então a apresentar o campo elétrico em kV/m e a velocidade de rotação do obturador. Além disto, um "bargraph" indica também a tendência do sinal em um formato "quase analógico". Isto pareceu interessante para observar tendências de variação do campo elétrico. Quando o valor medido ultrapassa a faixa dinâmica do instrumento, a mensagem "SOBRECARGA" aparece no display, indicando que o campo elétrico amostrado é muito alto -  isto equivale a campos maiores que 30 kV/m em ambas as polaridades.

Display do instrumento mostrando o campo elétrico e sua sobrecarga.

 O software escrito para meu voltímetro encontra-se listado abaixo. Usei um chip basic stamp 2SX da Parallax para o controle, e um conversor LTC1289 para a conversão A/D.

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