Materiały na szkolenie w ramach akcji „Szkolne mini-laboratoria komputerowe do nauczania przedmiotów przyrodniczych”

Autor: Wojciech Dobrogowski

Szkolenie 2004-03-20

Pomiary napięcia z wykorzystaniem CoachLab II. Fizyka żarówki

Konsola pomiarowa CoachLab II

Konsola pomiarowa CoachLab II umożliwia niezależne pomiary napięć na czterech wejściach pomiarowych z których każde może dodatkowo służyć jako wejścia licznikowe lub dla pomiarów wyzwalanych. Używany jest 12 –to bitowy przetwornik analogowy, a częstotliwość próbkowania jest uzależniona od ilości użytych wejść (patrz tabela). Poziom napięć wejściowych jest programowo ustawiany na 0-5 lub na +/- 5V. Odpowiednio możliwa jest rozdzielczość sygnału: 1.2 mV i 4.9 mV. Impedancja wejściowa jest równa 100 kW.

Liczba wykorzystanych wejść	Maksymalna częstotliwość Próbkowania [kHz]
1	40
2	20
3	3.3
4	2.5

Tabela 1 Częstotliwość próbkowania w zależności od ilości wykorzystanych wejść.

Rysunek 1 Konsola pomiarowa CoachLabII. 1- wejścia do czujników z wtykami BT, 2- wejścia do podłączenia czujników z wtykami 4 mm (czerwone + 5V, żółte - VIN i czarne - masa);

Więcej informacji na temat działania konsoli można znaleźć w dokumencie: http://labfiz.uwb.edu.pl/labfiz/siec/info/dokumentacja_oeiizk/pdf/CLab_II.pdf oraz http://labfiz.uwb.edu.pl/labfiz/siec/info/dokumentacja_oeiizk/manuals/d006.pdf

Ogniwa galwaniczne z owoców.

Do doświadczeń potrzebne będą następujące elementy: ćwiartka jabłka , cytryny, płytki metalowe 10x70x1 mm wykonane z miedzi, aluminium, stali, ... ( ostatecznie mogą to być spinacze biurowe, kawałki drutu miedzianego - 2 x 5 cm x 0.5-1 mm średnicy) oraz kabelki zakończone wtykami 4 mm i odpowiednia liczba „krokodylków”.

Elektrody wykonane z różnych metali wbijamy w owoc i podłączamy je przy pomocy przewodów zaopatrzonych w krokodylki do wejścia pomiarowego 3 VIN.

Wybieramy w C5 czujnik Woltomierz (CMA) 0-5 V. Należy pamiętać o odpowiednim podłączeniu elektrod – czujnik nie pozawala na pomiary bipolarne. Zmieniamy ilość wyświetlanych miejsc dziesiętnych poprzez modyfikację we własnościach czujnika.

Wyniki przedstawiamy w postaci wartości – komputer pełni w tym przypadku rolę cyfrowego woltomierza. W czasie prezentacji można powiększyć maksymalnie okno pokazujące mierzoną wielkość.

Rysunek 2 Ogniwo galwaniczne z cytryny, spinacza biurowego i kawałka miedzianego drutu. 1 – podłączenie do VIN, 2 –podłączenie masy, 3 – cytryna uzbrojona w elektrody	Rysunek 3 Ogniwo galwaniczne z jabłka, spinacza biurowego i kawałka miedzianego drutu. 1 – podłączenie do VIN, 2 –podłączenie masy, 3 – jabłko uzbrojone w elektrody
Rysunek 4 Ogniwa galwaniczne z jabłka i cytryny połączone szeregowo. 1 – połączenie obu ogniw – kabel łączy elektrodę miedzianą z żelazną	Rysunek 5 Elektrody użyte w doświadczeniu. 1- ołów, 2 – aluminium, 3 – stal (?), 4 -miedź

Wynik pomiaru napięć z użyciem różnego rodzaju elektrod metalowych:

Lp	Materiał 1 (VIN)	Materiał 2 (masa)	Napięcie [V]
1	Miedź	Żelazo	0.869
2	Miedź	Ołów	0.420
3	Miedź	Aluminium	0.536
4	Mosiądz	Miedź	0.013
5	Mosiądz	Żelazo	0.867
6	Mosiądz	Aluminium	0.592
7	Mosiądz	Ołów	0.421
8	Ołów	Aluminium	0.189
9	Ołów	Żelazo	0.476
10	Żelazo	Aluminium

Jako żelazo był użyty element blachy pokryty jakimś metalem – możliwy jest fałszywy wynik w tym elemencie.

Pomiar natężenia prądu

Napięcie pochodzi bezpośrednio z konsoli pomiarowej – wyjście +5V. Odbiornikiem jest żarówka (mała dość specyficzna ale do kupienia w elektronicznych sklepach – do podświetlania skali ).

Pierwszy pomiar przeprowadzamy z wykorzystaniem czujnika prądu 0222i ( http://.... ) o zakresie pomiarowym +/- 500 mA w układzie którego schemat przedstawiono poniżej.

Rysunek 6 Schemat układu pomiarowego wykorzystujący czujnik natężenia prądu 0222i

Rysunek 7 Wynik pomiaru prądu w układzie z wykorzystaniem czujnika natężenia prądu ( linia czerwona) i opornika wzorcowego (linia zielona). Widać powtarzalność pomiaru obiema metodami. Patrz opis w dalszej części opisu.

Rysunek 8 Układ pomiarowy do badania świecenia żarówki. 1 – konsola COACHLab II, 2 – Tablica montażowa, 3 – przełącznik, 4- żarówka, 5 – opornik wzorcowy 10 W (do wyznaczania prądu)

Budujemy amperomierz

Wykorzystujemy układ zbudowany z szeregowo połączonej żarówki i opornika 10 W. Opór należy dobrać tak by był on równy około 10% oporu odbiornika (żarówki).

Rysunek 9 Schemat układu do pomiaru prądu płynącego przez żarówkę. R_w – opornik 10 W, V_R – napięcie mierzone na oporniku – podłączone do wejścia 3 (żółte) konsoli pomiarowej.

Jako czujnik wybieramy Woltomierz (CMA) 0-5 V. Ustawiamy trzy cyfry znaczące jako wynik wyświetlania i wykonujemy pomiar. Następnie otrzymany wynik przekształcamy korzystając z prawa Ohma J=U/R tworząc kolejne pole wykresu/tabeli. Używając cały czas tego samego opornika możemy wstępnie ustawić kalibrację czujnika tak by wyświetlane dane były przedstawione od razu jako wielkość prądu.

Na podstawie wartości średniej z tabeli uzyskałem pomiar prądu płynącego przez żarówkę I=0.048 A. Przez żarówkę i opornik płynie zgodnie z prawem Kirchoffa ten sam prąd.

UWAGA! Wejście 3 nie dało się wymusić do pomiarów w zakresie 0-5V. Dawało niepoprawne wyniki. Po zastosowaniu czujnika +/- 10 V wszystko działało poprawnie.

Pomiar oporu włókna żarówki

Mamy pomiar oporu włókna żarówki z wykorzystaniem miernika uniwersalnego, próba 8-siem sztuk:

9.4
9.2
8.8
8.8
9.5
8.7
8.6
9.2
9.025	Wartość średnia
0.341216	Odchylenie standardowe
4%	Błąd względny

Tabela 2 Wynik pomiaru oporu włókna żarówki

Aby wykonać pomiar oporu włókna żarówki przy pomocy zestawu CoachLab II należy skorzystać z powyższego układu do pomiaru prądu. Wprowadzamy modyfikację w postaci dodatkowego pomiaru napięcia żarówka-opornik V1. Pozwoli to nam określić zmianę napięcia na żarówce jako różnice napięć V1 i V_Rw. Jako porównanie tej metody poniżej wyniki z użyciem różnicowego czujnika napięć 0210i ( hhttp://labfiz.uwb.edu.pl/labfiz/siec/info/dokumentacja_oeiizk/manuals/d0210i.pdf )


Rysunek 10 Modyfikacja układu pomiarowego uwzględniająca pomiar napięcia na gałęzi żarówka-opornik z wykorzystaniem czujnika napięcia 0210i - V	Rysunek 11 Wynik pomiaru czujnikiem różnicowym napięcia i wyznaczenia napięcia jako różnicy napięć V1 i V_Rw.

Rysunek 12 Modyfikacja układu pomiarowego uwzględniająca pomiar napięcia na gałęzi żarówka-opornik

W pole kolejnego wykresu wstawiamy regułę : (V1-V_Rw)/0.048. Uwzględnia ona pomiar napięcia na żarówce i prąd prze nią płynący. W wyniku takiego pomiaru mamy opór rozgrzanej żarówki R_ż =92.96 W.

Jeżeli chcemy wyznaczyć opór włókna zimnego należy tak dobrać wartość opornika R_w aby spadek napięcia na nim był dostatecznie duży, tak by włókno żarówki nie wykazywał świecenia. W naszym przypadku był to opornik 300 W. W wyniku mniejszej mocy wydzielającej się na naszym odbiorniku (żarówka) P=U × I, włókno żarówki nie osiąga temperatury świecenia, choć z obserwacji zmiany oporu można wnioskować o zmianie temperatury żarnika. Początkowa wartość oporu odpowiada oporowi zimnej żarówki. Przed wykonaniem pomiaru wyznaczamy prąd płynący przez nowy układ. W tym przypadku R_ż=8.97 W. Osiągnięta wartość końcowa wynosi R_ż=19.4 W.

Rysunek 13 Wynik pomiaru oporu włókna żarówki nie osiągającej stanu świecenia. Początkowa wartość oporu R_ż= 8.97W. W fazie końcowej osiąga ona 19.4 W – włókno żarówki nagrzewa się w czasie 3.5 sekundy.

W regułkach ustawiamy zamianę napięcia na oporniku na prąd, następnie wyliczamy zmianę oporu całego układu, a jako ostatnią operację odejmujemy stały opór związany z opornikami wzorcowymi.

W badaniu tym można posłużyć się innym podejściem. Definicje kolejnych tabel można sprowadzić do użycia oporu R_w użytego w danym badaniu.

Włączanie żarówki.

Wraz z włączaniem żarówki jesteśmy w stanie obserwować efekt zmiany oporu jej włókna pod wpływem zmieniającej się temperatury włókna tak jak zostało to pokazane poprzednio. Spróbujmy teraz wychwycić całą dynamikę nie ograniczając świecenia żarówki dużym opornikiem.

Jako czujnik wybieramy Woltomierz (CMA) 0-5 V. Ustawiamy trzy cyfry znaczące jako wynik wyświetlania, czas pomiaru na 150 ms i częstotliwość próbkowania 10 razy na milisekundę. W nastawieniu pomiaru określamy też czas przed wyzwoleniem na 50 ms, oraz reakcję na rosnące napięcie przy progu. Wynik pomiaru napięcia i wyznaczenia prądu w układzie


Rysunek 14 Wynik pomiaru napięcia na żarówce i oprniku wzorcowym. Pomiar w czasie 150 ms został wyzwolony napięciem pojawiającym się na wejściu pomiarowym VIN3	Rysunek 15 Wynik pomiaru oporu włókna żarówki osiągającej stan świecenia. W fazie końcowej R_ż=92.90 W

Efekt wyłączeniowy.

Do wykonania tego pomiaru należy tak zmodyfikować układ by możliwy był pomiar minimalnego prądu w momencie wyłączenia żarówki. Wygląda to następująco:

Rysunek 16 Schemat układu do pomiaru napięcia oporu włókna żarówki przy stygnięciu. R1_w= 410 W, R2_w= 10 W. Otwarcie gałęzi przełącznikiem P powoduje spadek napięcia na żarówce i prądu płynącego przez układ


Rysunek 17 Pomiar napięcia na V1 i oporniku R1_w w czasie wyłączania.	Rysunek 18 Dynamika oporu żarówki w czasie wyłączania. Z powodu przepływu prądu efekt ten jest wydłużony, a opór końcowy R_ż=14.05 W

Pomiar zmian natężenia światła

Przy pomocy czujnika światła będziemy rejestrować zmiany natężenia światła. Poza zmianami światła będziemy rejestrować napięcia na oporniku wzorcowym i układzie opornik-żarówka. Pozwoli to nam porównać zmiany prądu płynącego przez układ, zmianę oporu włókna ze zmianami świecenia żarówki.

Rysunek 19 Układ pomiarowy do wyznaczenia

Rysunek 20 Wynik pomiaru światła i zarejestrowana zmiana oporu włókna żarówki. Widać że rejestrowany wzrost natężenia światła mamy w momencie osiągnięcia przez włókno oporu ok. 60 W

Opór włókna żarówki jako funkcję temperatury opisuje zależność : R_ż(T) = R₀(1+αΔT).

Dla wolframu (?) α = 0.004 1/K. Znając opór żarówki R_ż(t) zmierzony doświadczalnie możemy wykreślić zależność T(t) = 1/a (R(t)/R₀-1)+20. (t –czas)

Rysunek 21 Wynik pomiaru światła i zarejestrowana zmiana temperatury włókna żarówki. Widać że rejestrowany wzrost natężenia światła mamy w momencie osiągnięcia przez włókno temperatury ok. 1460 ^oC.

Rysunek 22 Wynik pomiaru znormalizowanego natężenia światła w funkcji temperatury włókna żarnika żarówki.