Виртуальный термометр для учебных физических опытов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №17 (76) октябрь-2 2014 г.

Дата публикации: 05.10.2014

Статья просмотрена: 526 раз

Библиографическое описание:

Данилов О. Е. Виртуальный термометр для учебных физических опытов // Молодой ученый. — 2014. — №17. — С. 11-15. — URL https://moluch.ru/archive/76/12902/ (дата обращения: 24.02.2019).

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.

Основные термины (генерируются автоматически): аналоговый датчик температуры, датчик температуры, выход датчика, аналого-цифровой преобразователь, аналоговый датчик, окно приложения, измерительный комплекс, USB-COM, виртуальный прибор, принципиальная схема.


Ключевые слова

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

Похожие статьи

Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент...

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, АЦП, учебный компьютерный измерительный комплекс, аналоговые датчики, виртуальная измерительная система, виртуальный прибор.

Виртуальный манометр для учебных физических опытов

Ключевые слова: виртуальный прибор, датчик давления, манометр, аналого-цифровой преобразователь, виртуальный измеритель давления.

Рис. 1. Принципиальная схема датчика давления.

Программное обеспечение цифрового термометра

Рис. 1. Простой датчик (датчик прямого действия) и составной датчик: 1, 2 и 3 — преобразователи сигнала.

Рис. 3. Принципиальная схема цифрового датчика температуры. В своей работе мы используем датчик DS18B20.

Виртуальный люксметр для учебных физических опытов

Предлагается использовать на уроках физики люксметр, самостоятельно изготовленный учителем. Он представляет собой аналоговый датчик освещенности, сопрягаемый с компьютером при помощи десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя...

Имитационная модель цифрового датчика давления

Цифровая обработка сигналов в датчике реализуется встроенной электроникой, содержащей аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессорное ядро, энергонезависимую память, цифровой интерфейс и прочие элементы (стабилизаторы питания, согласующие усилители и...

Программное обеспечение цифрового вольтметра на базе...

Ключевые слова:аналого-цифровой преобразователь, цифровые измерения, цифровой вольтметр, виртуальный прибор, программирование, COM-порт, Lazarus.

Виртуальный измеритель расстояния для учебных физических...

дальномер, активный тип, аналого-цифровой преобразователь, функциональная схема, аналоговый датчик расстояния, датчик.

Разработка многоканального цифрового амперметра

Различие аналоговых и цифровых амперметров состоит в том, что аналоговые используют для измерения магнитные поля, а цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя и

Поэтому цифровые приборы вытесняют аналоговые [1].

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Аналого-цифровой преобразователь как базовый элемент...

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, АЦП, учебный компьютерный измерительный комплекс, аналоговые датчики, виртуальная измерительная система, виртуальный прибор.

Виртуальный манометр для учебных физических опытов

Ключевые слова: виртуальный прибор, датчик давления, манометр, аналого-цифровой преобразователь, виртуальный измеритель давления.

Рис. 1. Принципиальная схема датчика давления.

Программное обеспечение цифрового термометра

Рис. 1. Простой датчик (датчик прямого действия) и составной датчик: 1, 2 и 3 — преобразователи сигнала.

Рис. 3. Принципиальная схема цифрового датчика температуры. В своей работе мы используем датчик DS18B20.

Виртуальный люксметр для учебных физических опытов

Предлагается использовать на уроках физики люксметр, самостоятельно изготовленный учителем. Он представляет собой аналоговый датчик освещенности, сопрягаемый с компьютером при помощи десятиразрядного аналого-цифрового преобразователя...

Имитационная модель цифрового датчика давления

Цифровая обработка сигналов в датчике реализуется встроенной электроникой, содержащей аналого-цифровой преобразователь (АЦП), процессорное ядро, энергонезависимую память, цифровой интерфейс и прочие элементы (стабилизаторы питания, согласующие усилители и...

Программное обеспечение цифрового вольтметра на базе...

Ключевые слова:аналого-цифровой преобразователь, цифровые измерения, цифровой вольтметр, виртуальный прибор, программирование, COM-порт, Lazarus.

Виртуальный измеритель расстояния для учебных физических...

дальномер, активный тип, аналого-цифровой преобразователь, функциональная схема, аналоговый датчик расстояния, датчик.

Разработка многоканального цифрового амперметра

Различие аналоговых и цифровых амперметров состоит в том, что аналоговые используют для измерения магнитные поля, а цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя и

Поэтому цифровые приборы вытесняют аналоговые [1].

Задать вопрос