Е-метр своими руками

Е-метр своими руками: как собрать хороший Е-метр

Не буду говорить о том, что измеряет Е-метр, и как с ним работать. Об этом написано как в работах Хаббарда, так и во множестве статей, разбросанных по  Internet.

Я прекрасно понимаю, что всё, о чём я здесь напишу, не может восприниматься как абсолютная истина, не подлежащая сомнениям и исправлениям, но это соответствует моему представлению о Е-метре, его принципе работы, его отдельных узлах и деталях, его настройке и требованиям, предъявляемым к нему. Я готов принять любую конструктивную критику и замечания.

Немного истории

Мысль собрать Е-метр пришла ко мне довольно давно, примерно полтора года назад. Продиктована она была тем, что готовый Е-метр стоит довольно дорого, от $200, а качество его далеко не всегда высокое.

Я же был уверен, что мои знания электроники плюс моя дотошность в достижении цели, позволят мне собрать хороший прибор, удовлетворяющий всем стандартным требованиям, предъявляемым к Е-метрам. Вот только где взять эти требования?

Для начала я просто влез в Internet, открыл Alta-Vista и задал поиск по ключевому слову “E-meter”. А потом стал выуживать зёрна из огромного количества шелухи. Довольно скоро у меня скопилось огромное количество информации. Полезной и не очень. В основном на английском языке, частично на русском. Немецкий, французский и т.д. я просто отметал, так как не владею ими.

Работа была проведена колоссальная, а результатом её оказался собранный мной Е-метр, который проверили и одобрили во время своего последнего приезда в Москву Макс с Отфридом.

Что ж, теперь я могу поделиться своими соображениями по данному поводу.

Общие слова о схемах

В И-нете плавает несколько схем Е-метров:

1. Хаббардовский патент Е-метра со схемой на трёх транзисторах на страничке  http://www.cs.cmu.edu/ .
2. Схематика Е-метра Хомера Вильсона Смита (Марк-V), на которую можно выйти с той же странички.
3. Схематика Е-метра от Free-Zone, выход отсюда же.
4. Working Poligraph (E-meter) schematics по адресу http://art-org.com/ri-bulletins/workingmeter.gif .
5. Еще какие-то варианты, так или иначе повторяющие вышеуказанные схемы.

О первых двух  говорить особо нечего, это классика. Очень полезно собрать и настроить для получения массы (своего рода «пластилиновая демонстрация»). Впрочем, можно работать и с таким Е-метром. У нас в организации, например, очень честно работает стандартный закордонный “Марк-V”. Вот только настроить его ПРАВИЛЬНО не так уж и просто, а это главное для получения правильных результатов.

Третья и четвёртая схемы повторяют друг-друга процентов на 90. Собрать их несложно, а вот настроить…… Провозившись порядочное количество времени, я настроил эту схему, но то, что я получил, не понравилось мне (а может я слишком дотошный?).

В общем, после всех своих  проб и ошибок я накопил, наконец, все необходимые требования к Е-метру, и взялся за разработку своей схемы, учитывая то, что мне не понравилось в предыдущих. Очень скоро она была готова, но собрать я её не успел, так как к этому времени ко мне в руки попала схема, мало того что повторяющая мою почти полностью, но и очень мне понравившаяся элегантностью решения некоторых узлов. Та схема, что я Вам предлагаю, полностью повторяет как раз эту схему, за исключением номиналов некоторых деталей, которые я изменил во время работы над ней.

Кстати о деталях! Как вы обратили, наверное, внимание, этот Е-метр собран на импортных операционных усилителях. Как говаривал Винни-Пух :”это “Ж-Ж-Ж” неспроста!”. Довольно много времени я потратил сначала на поиски подходящих  аналогов, а потом на проверку их параметров. Результаты оказались обескураживающими! Фактически нет среди огромного количества отечественных операционников тех, которые имеют приличные параметры при тех напряжениях питания, что используются в Е-метре. Те же, которые прошли мой, достаточно строгий, отбор, оказались менее доступны, чем импортные, а по цене оказались ненамного дешевле. Труднее всего оказалось найти LM334 и LM336, но покопав более усердно, я нашёл довольно стабильный канал поставок для них, так что если не найдёте – обращайтесь ко мне, вышлю. Заменить их, конечно, можно, но не стоит. Почему? Расскажу попозже.

“Тонкие места” Е-метра

1. Измерительная головка. Любой микроамперметр с током полного отклонения 100микроампер и с достаточно большой шкалой. Это для случая, если вы хотите измерять всё, что угодно от температуры воздуха в Нью-Йорке до силы ветра над Сахалином. Как в том анекдоте : ”-Петька, прибор !-Двадцать пять !- Что двадцать пять !- А что прибор!”. Если же вам небезразлично то, что вы будете измерять, то внимательно отнеситесь к выбору измерительной головки.

Требований к ней несколько, и большинство противоречивых, так что придётся искать компромис.

Во-первых, шкала и стрелка должны быть достаточно большими, чтобы не напрягать зрение, наблюдая за стрелкой.

Во-вторых, стрелка должна быть ОЧЕНЬ ЖИВАЯ И БЫСТРАЯ, она должна отклоняться почти мгновенно, сразу становясь на определённое положение на шкале. Если стрелка “доползает” до этого положения, то такой прибор не годится.

ПОКАЗАНИЯ СТРЕЛКИ ДОЛЖНЫ БЫТЬ БЫСТРЫМИ И ТОЧНЫМИ, ибо именно такие показания и важны в одитинге.

В-третьих, став на какое-либо положение на шкале, стрелка не должна совершать каких либо паразитных колебаний около этого положения. Если стрелка колеблется какое-то время, то такой прибор тоже нельзя использовать.

Лучшими показателями обладают измерительные головки с анкерной подвеской стрелки. В них стрелка подвешена при помощи небольшой оси по типу часовой. Возврат стрелки осуществляется при помощи небольшой спиральной пружины, как на маятнике часового механизма. Стрелка у них, как правило, очень лёгкая, с минимальной массой противовесов.

Подвеска стрелки при помощи растяжек, как правило, не годится. Представьте себе струну, у которой нет паразитных колебаний! С трудом? Вот тут то и собака порылась! Пружинная растяжка обладает обычно довольно большими паразитными колебаниями, и прочитать мгновенные показания стрелки становится практически невозможно.

Ещё одно наблюдение: чем меньшей массой обладает постоянный магнит в головке, тем быстрее стрелка.

Для своего первого прибора я нашёл великолепную итальянскую головку (кстати, 1975 года выпуска), а сейчас экспериментирую с отечественными. Когда получу результаты, поделюсь.

2. Ручка тона (Tone Arm). Довольно большая, сантиметра 3-4 в радиусе, с острым носиком, ось потенциометра должна вращаться легко, без заеданий. Дребезга контактов в движке потенциометра не должно быть. Саму ручку я выточил из твёрдого дерева, а потенциометр выбрал проволочный круговой с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота.

Крутить придётся ОЧЕНЬ МНОГО, поэтому потенциометр должен обладать достаточно большой механической прочностью. Перед использованием эго лучше разобрать и смазать трущиеся  токоведущие части небольшим количеством густой белой силиконовой смазки, или электротехнического вазелина. Саму ось тоже неплохо смазать, например часовым маслом (одну-две капли, не больше).

3. Банки. Железные, покрытые оловом цилиндры, длиной около 12 см и диаметром около 3,5-4,5 см. Строго говоря, диаметр банок индивидуален для каждого человека, и выбирается таким, чтобы не затекали кисти рук при долгом их держании. В простейшем случае это могут быть подходящие по диаметру консервные банки. Алюминиевые использовать нельзя, они завышают показания РТ. На поверхности банок не должно быть вмятин и глубоких царапин. Жёсткость должна быть достаточной, чтобы они не деформировались при не очень сильном сжатии рукой.

Принципиальная схема Е-метра и основные принципы его работы

Принципиальная схема представлена на рис.1

Рис.1. Принципиальная схема Е-метра.

По сути дела, схема представляет собой высокочувствительный дифференциальный омметр. Именно изменения в сопротивлении кожи и отлавливает Е-метр.

Основой схемы является измерительный мост Уитстона (Wheatstone Bridge). Баланс происходит, когда R1*R4 = R2*R3.

Обычно один из этих резисторов — неизвестное, например измеряемый человек. Таким образом, чтобы получить баланс, один из резисторов сделан переменным с тем расчётом,  чтобы была возможность выставить нулевое показание на измерителе. То есть, если представить R1 неизвестным, R4 необходимо делать переменным. Кроме того, может иметься широкий диапазон изменения сопротивления тела, поэтому один из резисторов R2 или R3 должен быть переменным, чтобы держать мост в диапазоне.

Собственно говоря, это и реализовано в измерительном мосте Е-метра. Здесь одну из половин моста, R2 и R4, образует переменный резистор  TA, а другую – резисторы 19k6 и 10M. Это для случая, когда на вход прибора ничего не подсоединено. Резисторы 19k6 и 1k56 в случае короткого замыкания на входе, и 19k6 и 1k56+Rx для случая подсоединения на вход прибора измеряемого резистора Rx (сопротивление тела человека в частном случае).

Главная проблема с этим типом пассивного Моста Уитстона состоит в том, что он не подходит для измерения высокого значения сопротивления, поскольку ток, протекающий через подвижную катушку измерителя, будет значительно больше тока, протекающего через измеряемое сопротивление. Чтобы устранить это влияние токов друг на друга, в схеме применяется дифференциальный измерительный усилитель с очень большим входным сопротивлением, собранный на операционных усилителях DA1.2, DA1.3 и DA1.4.

Здесь мы подошли к основному правилу, которое будет использоваться при настройке Е-метра. Звучит оно так: “ НА ВЫХОДЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ (вывод 7 DA1.2) ДОЛЖНО ПРИСУТСТВОВАТЬ ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 0 Вольт В ТОМ И ТОЛЬКО ТОМ СЛУЧАЕ, КОГДА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОСТ НАХОДИТСЯ В СОСТОЯНИИ БАЛЛАНСА”. Это правило должно выполняться при любой чувствительности прибора и при любом изменении его чувствительности во время работы.

Для достижения этого, как правило, достаточно выполнения двух условий:

1. Применения в схеме высококачественных операционных усилителей.
2. Тщательного подбора сопротивлений резисторов, входящих в схему измерительного усилителя. Желательно, чтобы их сопротивления не отличались друг от друга более, чем на 0,1%.

Одной из особенностей измерительного усилителя являются конденсаторы 0,1mF, включенные в цепь обратной связи усилителей первого каскада. Они служат для ограничения частотной характеристики Е-метра с целью исключения влияния наводок от внешних электромагнитных полей на тело преклира.

Вторая особенность- регулятор SENS (чувствительность). Чувствительность прибора зависит от коэффициента усиления измерительного усилителя. При правильной настройке эти величины одинаковы.

Коэффициент усиления можно рассчитать по формуле:

Ku=SENS=1+200/Rs,

где Rs- величина сопротивления регулятора чувствительности.

Отсюда можно найти величину сопротивления Rs для конкретных значений чувствительности:

Rs=200/(SENS-1) .

Величины Rs для наиболее часто используемых значений чувствительности показаны в таблице:

Как видно из таблицы, при чувствительности равной 1 резистор Rs должен иметь бесконечное сопротивление (цепь разомкнута). Для остальных величин чувствительности величина Rs изменяется весьма нелинейно (обратно-пропорциональная зависимость). Подобрать переменный резистор с такими характеристиками практически невозможно. Поэтому я использовал схему, изображённую на рис.3:

В этой схеме используется малогабаритный круговой переключатель на 12 положений. Номиналы резисторов желательно подобрать как можно точнее. Если это невозможно, то есть довольно простой способ подгонки резисторов до нужного сопротивления.

Берётся резистор несколько меньшего сопротивления, как можно более близкого к нужному. С него ацетоном смывается краска, а оголившийся резистивный слой аккуратно подчищается наждачной бумагой “нулёвкой” до получения необходимого сопротивления. После этого резистор заливается лаком или краской. Процесс этот несколько трудоёмок, но не сложен.

Рис.3. Регулятор SENS.

Если использовать переключатель на большее количество положений, то можно добавить ещё некоторые значения чувствительности, например 9, 11, 14 и т.д. Переключатель 1/32 оказался весьма удобен на практике: при настройке прибора не приходится крутить ручку через всю шкалу. К тому же, он действует как переключатель диапазонов: при его нажатом состоянии и положении регулятора SENS, например, 8, чувствительность прибора получается равной 32+8=40 и т.д. для всех остальных положений регулятора SENS.

http://everest-meter.chat.ru/excalibur.htm — Э-метр Дмитрия Кучеренко ([email protected])

Принципиальная схема прибора.

Та же схема в формате Word

Краткое пояснение (Дмитрия Кучеренко).

особенность- регулятор SENS (чувствительность). Чувствительность прибора зависит от коэффициента усиления измерительного усилителя. При правильной настройке эти величины одинаковы.
Коэффициент усиления можно рассчитать по формуле:
Ku=SENS=1+200/Rs,
где Rs- величина сопротивления регулятора чувствительности.
Отсюда можно найти величину сопротивления Rs для конкретных значений чувствительности:
Rs=200/(SENS-1) .

Величины Rs для наиболее часто используемых значений чувствительности показаны в таблице:

Как видно из таблицы, при чувствительности равной 1 резистор Rs должен иметь бесконечное сопротивление (цепь разомкнута). Для остальных величин чувствительности величина Rs изменяется весьма нелинейно (обратно-пропорциональная зависимость). Подобрать переменный резистор с такими характеристиками практически невозможно. Поэтому я использовал схему

Эта схема — не «hi-end», сейчас у меня уже есть изменения для неё, просто я их пока не разрисовывал, но вот что я сделал со схемой на данный момент времени (уменьшение энергопотребления + дополнительные навароты в виде индикатора включения):

1. Увеличил сопротивления балластных резисторов 3к3 в цепи стабилизатора моста LM336 до 10к.
2. Заменил второй стабилизатор LM336 на импортный ОЧЕНЬ ЯРКИЙ жёлтый светодиод в прямом включении.

Дело в том, что эти светодиоды способны светиться достаточно ярко уже при 40-60 микроамперах, и при этом прямое напряжение на них достаточно точно держится около 1,52 вольта. Выигрыш получается двойной: этот светодиод можно использовать в качестве индикатора включения прибора и, если поставить балластное сопротивление 100к, потребление этого каскада уменьшается до 50 микроампер (LM336 перестаёт стабилизировать напряжение при 200 микроамперах). Его я использую как индикатор включения питания. Почему поставил не зелёный? Они ОЧЕНЬ дорогие, жёлтые и красные в четыре раза дешевле.

3. На индикацию разряда батарей я поставил импортный ОЧЕНЬ ЯРКИЙ красный светодиод и в его цепь включил тоже резистор 100к. Получился очень интересный эффект: при понижении питания, когда загорается индикатор разряда батарей, потребление прибора не увеличивается, а уменьшается ;))) Такой вот прикол 🙂
   И опять это не «hi-end», есть ещё над чем поработать в плане улучшения характеристик, полной коррекции чувствительности при изменении ТА, уменьшения энергопотребления, «вечных» источников питания, перевода прибора на питание 1,5-3 вольта и т.д.

Е-метр своими руками