Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 12 июля, печатный экземпляр отправим 16 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Виртуальный термометр для учебных физических опытов

Физика
05.10.2014
1063
Поделиться
Библиографическое описание
Данилов, О. Е. Виртуальный термометр для учебных физических опытов / О. Е. Данилов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2014. — № 17 (76). — С. 11-15. — URL: https://moluch.ru/archive/76/12902/.

В статье автор предлагает использовать на уроках физики термометр, который может быть самостоятельно изготовлен учителем физики. Измеритель представляет собой аналоговый датчик температуры, сопрягаемый с компьютером посредством десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя, который также может быть изготовлен учителем. Этот компьютерный измеритель (виртуальный термометр) позволяет демонстрировать учащимся на экране значение температуры в данный момент времени и график зависимости температуры от времени.

Ключевые слова: виртуальный прибор, датчик температуры, термометр, аналого-цифровой преобразователь, АЦП, виртуальный измеритель температуры.

В процессе обучения физике применение измерительного комплекса на базе вычислительной техники приводит к повышению наглядности и эффективности обучения. Такой комплекс, как правило, включает датчики измеряемых физических величин, компьютер, устройство сопряжения датчиков с компьютером и программное обеспечение [2; 5; 6; 7].

Наиболее значимой частью любого виртуального измерителя с аналоговым датчиком является устройство сопряжения, преобразующее аналоговый (непрерывный) сигнал в цифровой (дискретный) сигнал. Такое устройство называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Практически любой аналоговый датчик, на выходе которого получается электрическое напряжение, пропорциональное измеряемой этим датчиком физической величине, может быть согласован с АЦП. При этом напряжение на выходе датчика не должно превышать максимальное входное напряжение АЦП [2; 7].

В своей практике мы часто используем десятиразрядный АЦП, собранный на базе микросхемы TLC1549IP, который может применяться как устройство сопряжения многих аналоговых датчиков с компьютером [2]. Входное напряжение такого АЦП не превышает 5 В, а точность измерений напряжения равна примерно 0,005 В. Прибор можно подключать к физическому COM-порту компьютера (последовательному порту RS232) или к USB-шине компьютера с помощью адаптера USB-COM (виртуальному COM-порту) [2; 9].

Аналоговый датчик температуры может быть реализован на тиристоре (рис. 1). Возможно применение в такой схеме вместо тиристора простых и недорогих микросхем типа LM335.

Рис. 1. Принципиальная схема датчика температуры на тиристоре

Микросхема типа LM335 может рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом 10 мВ/К [1, с. 109; 8]. Принципиальная схема аналогового датчика температуры на базе микросхемы LM335Z представлена на рис. 2 [8].

Рис. 2. Принципиальная схема аналогового датчика температуры на микросхеме LM335Z

Максимальное выходное напряжение датчика температуры равно примерно 5 В. Соответствие напряжения на выходе датчика измеряемой температуре следующее: 0 В — 0 К (-273°C), 5 В — 500 К (+227°C). Рабочий диапазон температур датчика находится в границах от -40°C до +100°C. Возможно использование вместо микросхемы серии LM335 другого элемента — микросхемы серии LM135, которая имеет рабочий диапазон от ‑‍50°C до +150°C. Для калибровки датчика в схему включен резистор R2 с сопротивлением 10 кОм. Питание устройства может осуществляться от обычной гальванической батареи или какого-то другого стабилизированного источника постоянного напряжения [8]. На рис. 3 показана настройка датчика (проводится с помощью подстроечного резистора R2). Образцовый термометр на этом рисунке не показан. Питание датчика осуществляется от батареи, мультиметр используется в качестве вольтметра для измерения напряжения на выходе датчика. В данном случае вольтметр показывает напряжение 2,96 В, что соответствует температуре 296 К или примерно 23°C.

Рис. 3. Аналоговый датчик температуры, мультиметр и батарея

Рис. 4. Датчик температуры, соединенный с АЦП

На рис. 4 показан датчик температуры, подключенный к АЦП, упомянутому в начале статьи. Для более ранних моделей компьютеров можно использовать другой АЦП, который предполагает подключение к LPT-порту компьютера (рис. 5). Для удобства мы обычно размещаем АЦП в защитном корпусе (рис. 6).

Рис. 5. АЦП для подсоединения к LPT-порту компьютера

Рис. 6. АПЦ в корпусе и аналоговый датчик

Программное обеспечение любого виртуального прибора должно иметь понятный и удобный для пользователя графический интерфейс. Для учебных виртуальных измерительных приборов удобнее создавать относительно небольшие программы, ориентированные на решение узкоспециальных измерительных задач. В этом случае пользователю программы предоставляется минимально необходимый вариант автоматизированного управления измерительной системой, что существенно облегчает его работу с ней: сокращает время подготовки прибора к работе, настройка системы не отвлекает от более важного процесса осмысления результатов измерений [3; 4; 8; 9].

Окно приложения, обеспечивающего работу с термометром, показано на рис. 7. Программа предназначена для работы с операционными системами Windows XP, Windows Vista и Windows 7. В окне приложения размещены: верхнее меню, включающее пункты «Файл», «Измерения», «Справка»; место для визуализации графика зависимости измеряемой температуры от номера измерения (времени); индикатор, показывающий текущее значение температуры; группа радиокнопок для выбора частоты измерений; управляющие кнопки «Пуск/Пауза» и «Сброс»; группа радиокнопок для выбора единицы измерения температуры; выпадающий список существующих на данном компьютере портов. Минимальная скорость проведения измерений температуры равна 1 измерению в час, максимальная — 100 измерений в секунду (1 измерение в 0,01 секунды). Это позволяет визуализировать на экране и анализировать процессы, текущие медленно, а также быстропротекающие процессы, связанные с изменением температуры.

Рис. 7. Окно приложения «Цифровой термометр»

Рис. 8. Экспериментальная установка

Ни рис. 8 показана функциональная схема измерительного комплекса с аналоговым датчиком температуры.

Литература:

1.         Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс: Пер. с фр. — М.: ДМК Пресс, 2005. — 144 с.

2.         Данилов О. Е. Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент учебного компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками физических величин / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 4. — С. 114–119.

3.         Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой вольтметр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617600. — Заявка № 2011613163; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 29.09.2011.

4.         Данилов О. Е. Виртуальный прибор «Цифровой термометр» / О. Е. Данилов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613107. — Заявка № 2013611137; зарегистр. в Реестре программ для ЭВМ 26.03.2013.

5.         Данилов О. Е. Лабораторный практикум: Компьютерные измерения в молекулярной физике и термодинамике. Учебно-методическое пособие / О. Е. Данилов. — Глазов: ГГПИ, 2009. — 28 с.

6.         Данилов О. Е. Применение компьютерных технологий в учебном физическом эксперименте / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 1. — С. 330–333.

7.         Данилов О. Е. Создание компьютерного измерительного комплекса с аналоговыми датчиками для школьного кабинета физики / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 3. — С. 93–102.

8.         Данилов О. Е. Учебный компьютерный термометр с аналоговым датчиком температуры / О. Е. Данилов // Актуальные проблемы математики, физики, информатики в вузе и школе: Материалы Всероссийской региональной научно-практической конференции, 25 марта 2011 г. — Комсомольск-на-Амуре: Изд-во АмГПГУ, 2011. — С. 209–213.

9.         Учебные компьютерные измерительные приборы / О. Е. Данилов. — Электрон. дан. — Сайты Google, 2011. — Режим доступа: https://sites.google.com/site/dancommeter/home. — Загл. с экрана.

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
виртуальный прибор
датчик температуры
термометр
аналого-цифровой преобразователь
АЦП
виртуальный измеритель температуры.
Молодой учёный №17 (76) октябрь-2 2014 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 11-15):
Часть 1 (cтр. 1 - 115)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 11-15стр. 115

Молодой учёный