Szoftveres jelfeldolgozás: izzók ellenállásának hımérsékletfüggése

Átírás

1 Tanulókísérlet Tehetséggondozás Ajánlott évfolyam 10., 11., Idıtartam 60 perc Szoftveres jelfeldolgozás: izzók ellenállásának hımérsékletfüggése F.103 B.P. Kötelezı védıeszközök Balesetvédelmi figyelmeztetések Szükséges eszközök Szükséges anyagok NOVA5000 Árammérı szenzor Feszültségmérı szenzor Izzók: 3,5 V/0,1 A ; 6 V/0,5 A Izzófoglalat Mérıvezetékek Áramforrás 100 Ω-os potenciométer Multiméter A kísérlet leírása, menete A szoftveres jelfeldolgozás a NOVA5000 kézi számítógéppel történik, ami egy digitális iskolatáskába van csomagolva. A hordozható érintıképernyıs (7 ), kismérető, kis súlyú (kb.1kg) számítógép egy mérésadat győjtıt tartalmaz, amely a telepített MULTILAB megjelenítı és kiértékelı szoftver segítségével, a megfelelı szenzor használatával, valós idejő mérések eredményeit numerikusan vagy grafikusan megjeleníti. A mérési folyamat rögzíthetı vagy visszajátszható. Webkamera segítségével multimédiás mérési utasítások, jegyzıkönyvek készíthetık a mérésekhez, kísérletekhez. A szoftver munkafüzetet is tartalmaz, mely a munkafolyamatokat bemutatja, konfigurálja az éppen aktuális MULTILAB programot a szükséges beállítások elvégzésével. A NOVA 5000 HASZNÁLATI ÚTMUTATÓT KÜLÖN MELLÉKELJÜK! Az áramkört összeszerelt állapotban készítjük elı. Az összeállított kapcsolásban elıször a 3,5 V-os, majd a 6 V-os izzót vizsgáljuk. A potenciométer 100 Ω-os végállásában 0 V feszültséget, 0 Ω-os végállásában a kb. 4,5 V-os feszültséget állíthatjuk be. A potenciométer gombjának lassú a két végállapot közötti csavarásával mind a feszültség, mind az áramerısség függvény grafikusan felvehetı a NOVA 5000 használatával, a megfelelı beállításokat követıen. Tetszılegesen választott feszültségértékekhez (a kurzor érintıképernyın való t tengelyő mozgatásával) minden esetben a kurzor függıleges mozgatásával a megfelelı áramerısség érték is leolvasható.

2 A kurzort bármelyik grafikon egy konkrét pontjához mozgatva a képernyı alján megjelenik a ponthoz tartozó függvényérték a megfelelı mértékegységgel együtt. Ilyen módon tetszıleges számú számpárt (feszültség/áramerısség) rögzíthetünk, melyekbıl számított R= U/I nem állandó, a feszültség növelésével növekszik. Minél jobban világít az izzó, a hımérséklete nyilvánvalóan annál nagyobb, a mérésbıl számolt R is nıni fog. Mindezt jól mutatja az U(t) grafikon nagyobb meredeksége az I(t)-hez képest.

3

4

5 A mérési / megfigyelési feladatok 1. Vegyük fel a 3,5 V-os izzó U(t), I(t) grafikonjait ahol t a változtatható ellenállás (potenciométer) két végállapota között a forgatógomb elforgatásának ideje. A kiinduló helyzet a potenciométer 100 Ω-os végállása legyen (U=0). Az izzó csak a másik végállás közelében kezd világítani, ekkor kezd a feszültség erıteljesebben növekedni. Ezért ebben a szakaszban nagyon lassan forgassuk a forgatógombot. Végezzünk el 3 mérést! 2. Végezzük el ismét 3-szor az elıbbi mérést, az izzót a 6V-osra cserélve! 3. Rögzítsünk a kurzor mozgatásával mindkét izzó esetén feszültségértéket a hozzájuk tartozó áramerısség értékekkel együtt (20 számpár). Rendezzük ezeket a szoftver segítségével táblázatba. Egészítsük ki a táblázatot R=U/I számított értékkel. 4. Elemezzük az U(t), I(t), R(t) grafikonokat. 5. Rajzoljuk fel mindkét izzó esetén a megfelelı 10 pont összekötésével az R(U), R(I) grafikonokat. Egészítsük ki ezeket az U=0 (I=0) értékhez tartozó multiméterrel mért hidegellenállással! 6. Vonjuk le a tanulságot izzók ellenállásának hımérséklet függésével kapcsolatban. Milyen alapvetı okra vezethetı ez vissza?

6 Nova 5000 Bekapcsolás A készüléket a kijelzı alatt található fekete gombbal tudjuk bekapcsolni. Tartsa nyomva a gombot, amíg a képernyın megjelenik a kép. A bekapcsoló gomb megnyomása után körülbelül egy perc elteltével a Windows CE operációsrendszer asztala fogadja a felhasználót. Altatás, felébresztés Bekapcsolt készülék esetén amennyiben a bekapcsoló gombot 1 másodpercig tartjuk nyomva, a készülék alvó állapotba kerül. Ilyenkor a készülék nem kapcsol ki teljesen, minimálisra csökken az áramfogyasztása, így az akkumulátorról használható üzemidı meghosszabbodik. Alvó állapotból a készüléket felébresztve gyorsabban folytathatjuk a munkát, mint kikapcsolt állapotból történt indítással. A megnyitott programok altatás esetén nem záródnak be, a gép felébresztésével a munka ott folytatható, ahol abbahagytuk. Alvó állapotból a készüléket a gomb ismételt 1 másodpercig történı megnyomásával tudjuk felébreszteni. Kikapcsolás A készüléket a kijelzı alatt található fekete gombbal tudjuk kikapcsolni. Teljes kikapcsoláshoz tartsa nyomva a gombot legalább 4 másodpercig.

7 MultiLab Elıkészületek A MultiLab programot a Start menü / Programs / Science & Math / MultiLab menüponttal indíthatjuk el. A program használata elıtt csatlakoztassunk 1-4 szenzort a készülékhez. A szenzorok csatlakozóit óvatosan dugjuk a készülékbe, mindenképp figyeljünk arra, hogy a megfelelı pozícióban helyezzük az aljzatba úgy, hogy a csatlakozón lévı nyíl alul legyen. Egyéb esetben a csatlakozó megrongálódhat, az apró tők elgörbülnek és a csatlakozó tönkremegy. A csatlakozókat számozási sorrendben kell a készülékhez csatlakoztatni, szembıl nézve jobbról balra, a készüléken feltőntetett számok sorrendjében. Egyéb esetben a készülék nem ismeri fel a szenzort. Szenzorok beállítása A készülék által detektált szenzorokat a Logger / Setup menüpontban lehet megtekinteni. Az ablak tetején három fül található: Sensors, Rate, Samples Sensors Ha egy szenzor érzékenységét nem tudjuk megállapítani, csatlakoztatva a mőszerhez (feltéve, hogy az automatikus felismerı be van kacsolva) a program felismeri, így a nevébıl könnyen kiolvashatjuk azt. Pl. Temperature C, tehát a hımérsékletmérı szenzor -25 és +110 C között képes hımérsékletet mérni. Amennyiben az Auto Detect Sensors mellett a négyzetet bepipáljuk, a készülék automatikusan felismeri a csatlakoztatott szenzorokat (ajánlott). Egyéb esetben ezt manuálisan kell megtennünk a lenyíló listák segítségével (Input 1, Input 2 stb.) Minden Input mezı mellett található egy ikon ( sárga kéz ). Az ikonra kattintva az elıugró ablakban lehetıség van beállítani, hogy az adott szenzorhoz milyen színt használjon a program a grafikon rajzolásakor. Rate A Rate lenyíló listában lehetıség van beállítani, hogy a mérés végzése során a készülék milyen gyakorisággal vegye a mintákat a szenzorról. Pl. 10 samples per second = 10 mintavétel történik másodpercenként. Every 30 minutes = minden 30 percben 1 mintavétel történik Samples A Samples lenyíló listában beállíthatjuk, hogy a mérés során maximum hány mintát szeretnénk rögzíteni. Ha a mérés során rögzített minták száma elérte a beállított értéket, a mérés automatikusan megáll. Az érték állításával a lenyíló menü felett látható, hogy a mérés maximálisan mennyi ideig fog tartani (természetesen lehetıség van hamarabb leállítani a folyamatot). Pl. You will record 25:13 MM:SS = A mérés maximum 25 perc 13 másodpercig fog tartani.

8 Triggering Ebben az ablakban lehetıség van beállítani minden csatlakoztatott szenzorhoz, hogy a mérés milyen érték hatására kezdıdjön el. Például: Based on: Temperature C = A hımérsékletmérı szenzor neve Type: Above level = érték felett; Below level = érték alatt; Level: Adott érték, ami kiváltja a mérés kezdetét Mérések kezelése A programban lehetıség van a készülékkel végzett mérések mentésére, újbóli megnyitására, törlésére. Ezek a funkciók a bal felsı sarokban található Files menübıl érhetık el. Clear All: Az összes mérési eredmény törlése az aktuális (jelenleg megnyitott) mérések közül. Open File: Egy korábban elmentett mérési dokumentum betöltése a fájlrendszerrıl. Save File: Az aktuális mérési dokumentum mentése a fájlrendszerre. Save As: Az aktuális mérési dokumentum mentése a fájlrendszerre más néven. Megjelenítési módok: Alapvetıen két fı részre lehet bontani a mérı program ablakát. Baloldalon található listában a mérések találhatóak, minden egyes mérés Exp. -nek van elnevezve a listában, majd a mérés sorrendje szerint egy szám követi. Pl. Exp. 3 a harmadik mérést jelenti. Az adott mérés során használt szenzorokhoz külön-külön található egy sor az adott mérést kibontva a listában. (pl. Temperature, Magnetic stb.) Az adott szenzornak megfelelı sort kijelölve az ablak alján található Show és Hide gombokkal tudjuk a szenzorhoz tartozó mért értékeket megjeleníteni, ill. elrejteni. Az ablak nagyobbik, jobb oldali fele a mért értékek különféle megjelenítésére szolgál. A program a mérések három féle megjelenítését támogatja. Ezek közt a felsı menüsor ikonjaival tudunk váltani (balról a 7. ikontól a 9. ikonig). A nézetek balról jobbra haladva a következık: o Grafikon: egy grafikonra rajzolja ki a mérés során összes a készülékhez csatlakoztatott szenzor által mért jelet. o Táblázat: a mérés során egy táblázatot tölt ki a program a mérté értékekkel. Minden egyes mintavétel értéke külön sorban jelenik meg a táblázatban. o Vizuális értékkijelzés: különbözı (összesen öt) vizuális megjelenítési módszerekkel jelzi ki a mért értéket. Ezek közül a megjelenítési ablak alján tudunk váltogatni az apró ikonok segítségével (jobbról balra): analóg, oszlop, digitális, négyzet, kombinált Mérés Miután a méréshez szükséges összes szenzort csatlakoztattuk a készülékhez, kezdıdhet a mérés. A szenzorok teszteléséhez válassza ki a Logger / Preview menüpontot. Ilyenkor a program nem tárolja el a mért értékeket, viszont a grafikonon/táblázaton megjelennek a mért értékek, így tesztelhetjük, a szenzor mőködését. Érdemes ezt elvégezni a mérés rögzítése elıtt. A mérés rögzítéséhez válassza ki a Logger / Run menüpontot. Ez látszólag ugyanazt csinálja, mint az elıbbi Preview menüpont, azonban a mérés ekkor már rögzítve lesz, befejeztével a bal oldali listában megjelenik az adott méréshez tartozó bejegyzés. Amennyiben a mérés túl hamar leáll, a már fentebb említett Rate és Samples menüpont alatt megfelelı értékek beállításával tudunk növelni a mérés hosszán (pl. kevesebb mintát vegyen adott idı alatt, vagy több mintát vegyen a mérés során). Ha elıbb szeretnénk a mérést befejezni, mint ahogy az magától leállna, a Logger / Stop

9 menüpontban tudjuk megszakítani a mérést. Lehetıség van közvetlenül az eszköztárról is elindítani / leállítani a rögzítést, egy futó embert ábrázoló ikonnal jelzett gombra kattintva a mérés rögzítése elindul, majd ugyanerre (ekkor már piros) gombra kattintva megállíthatjuk a mérést. Az összes mérést a File / Clear All menüponttal törölhetjük. Ezzel a bal oldali lista is törlésre kerül.