Фертюк Анна
Науковий керівник: доктор пед. наук, професор Вовкотруб В.П.
Кіровоградський державний педагогічний університет імені Володимира Винниченка
Анотація: Пропонується варіант роботи фізичного практикуму, характерної посиленням практичної спрямованості змісту через вивчення і впровадження до експериментальних завдань сучасних вимірювальних засобів.
Ключові слова: автоматичні регулювання параметрів, цифрові вимірювання, практична спрямованість змісту.
Нині створена велика кількість різноманітних приладів, характерних використанням електричних способів вимірювань фізико-хімічних і механічних величин Особливо з стрімким розвитком мікроелектроніки і цифрової техніки таке зростання набуло вагомого впровадження. Удосконалення навчального фізичного експерименту потребує своєчасного впровадження сучасних методів і засобів вимірювання фізичних величин, характерне відповідністю до дидактичних і ергономічних вимог.
Для виконання навчального фізичного експерименту потребує удосконалення і модернізації вимірювання фізичних величин, зокрема температури. Разом з тим все вагомішими стають методи і засоби автоматичного регулювання температури. Нині нас оточують засоби і пристрої, в тому числі і побутові, в яких відбувається автоматичне регулювання температури. Це, зокрема, мікрохвильові печі, пральні машини-автомати, електроплити тощо.
Для вивчення будови і дії таких засобів і принципів їх дії доречно організувати постановку і виконання лабораторної роботи, завданнями якої охоплення вивчення будови і дослідження дії пристрою автоматичного регулювання температури [1].
Найпростішими електронними автоматами є електронні автомати – різні реле, що реагують на освітлення, температуру, вологість, тиск і інші фізичні величини. Вони складаються з трьох основних частин: датчика, управління і виконуючого пристрою. Пристрої, призначені для автоматичного регулювання додатково ще містять: орган, що задає, елемент порівняння, об’єкт управління й ланцюг зворотного зв’язку [2].
Наводимо варіант такої роботи, в експериментальній установці якої використані вузли і елементи, принцип роботи яких може легко зрозуміти випускник старшої школи, після вивчення розділу квантової фізики. Відповідно студентам вищого навчального закладу зміст теоретичних відомостей такої роботи цілком доступний.
Дослідження автоматичної системи регулювання температури
Мета роботи: Вивчити принципи роботи автоматичних регулювальних систем і дослідити роботу автоматичної системи регулювання температури.
Обладнання: 1. Модуль САР температури.
2. Калориметр, або хімічна склянка.
3. Електронагрівник лабораторний.
4. Термометр лабораторний цифровий (або спиртовий).
5. Джерело електроживлення постійного струму на 12 В.
6. Секундомір лабораторний.
7. З’єднувальні провідники і шнури.
Теоретичні відомості
Одним з видів автоматизації є автоматичне керування. Будь-який технологічний процес супроводжується впливом різних факторів - збуджень, що порушують нормальний його перебіг і викликають відхилення контролюючих параметрів від заданих значень. Крім того, для багатьох технологічних процесів характерна програмна зміна цих параметрів. Пристрої автоматичного керування - регулятори, призначені підтримувати вказані параметри в заданому діапазоні, забезпечуючи тим самим збереження технологічного режиму при будь-яких збудженнях.
Прикладом автоматичної системи із замкненим колом взаємодії є стабілізуюча автоматична система. Вона забезпечує підтримку керованої величини на заданому рівні або в заданих межах. Такі системи часто називають системами автоматичного регулювання ( САР). САР є замкнутою системою: в ній вплив передається не лише від керуючого пристрою на об’єкт керування, а і від об’єкту на вхід керуючого пристрою.
САР використовується для підтримки рівня води в ємностях водокачок, заданої температури води в нагрівачах, регулювання температури повітря і ґрунту, підтримки тиску в ресиверах компресорних установок, стабілізаторах електричної напруги тощо.
Електронні пристрої, передбачені для автоматичного регулювання, додатково містять наступні вузли: орган, що задає елемент порівняння, об’єкт управління й ланцюг зворотного зв’язку. Зокрема завдяки колу зворотного зв’язку автомат «довідується» про результати своєї «діяльності» і, якщо треба, внесе корективи.
В даній роботі досліджується САР температури води. Задавальним елементом являється змінний резистор RІ типу ММТ-1, з комплекту термометра на терморезисторі, а керуючим - інтегральний компаратор Д1. Компаратор – це вузол порівняння двох багаторозрядних двійкових чисел, які відповідають двом значенням певної фізичної величини, в даній установці – температури. Виконавчим елементом є оптотеристор V2 – напівпровідниковий прилад, який складають випромінювач і фотоприймач, між якими оптичний зв’язок. Об’єктом керування слугує нагрівальний елемент Rн – електронагрівник лабораторний. Датчиком температури є терморезистор R2. Світлодіод V1 призначений для індикації режиму регулювання.
Джерелом живлення до схеми керування стабілізований є випрямляч на виході якого стабілізована напруга 12 В, а для нагрівального елемента - джерело змінного струму напругою 6 В. Аналогічні джерела вторинного електроживлення є в переліку навчального обладнання фізичних кабінетів, зокрема в комплектах набірних полів «Школяр» [3].
Напруга на вхід компаратора подається з містка, зібраного на резисторах R1, R2, R3 i R4.
При ввімкнені джерел живлення місток розбалансований і на вході компаратора присутня деяка напруга, завдяки якій компаратор вмикає оптотеристор V2, про що свідчить світіння світлодіода V1. Через нагрівальний елемент Rн розпочинає протікати струм, нагріваючи воду і занурений у воду терморезистор. Температура води контролюється термометром.
Доцільно в установках використовувати цифровий термометр. При досягненні потрібної температури води, заданої змінним резистором R1, опір терморезистора набуває таких значень, що місток збалансовується і на вході компаратора напруга стає рівна нулеві. Компаратор вимикає опторезистор і нагрівання води припиняється. Через деякий час t вода охолоне від температури t1 до температури t2, такої, що місток знову розбалансується і компаратор знову ввімкне оптотеристор з нагрівачем. Нагрівання буде тривати доти, поки температура знову не досягне значення t1. Час, протягом якого відбувається нагрівання від температури t2 до t1 називається тривалістю перехідного процесу п. Різниця між температурами t1 i t2 називається точністю регулювання
t1-t2.
Порядок виконання роботи
І. Приєднайте до панелі з терморегулятором джерело живлення на 12 В, терморезистор, нагрівач.
2. У воду в посудині занурте термометр, який має ціну поділки І°С, задавальний резистор виведіть у крайнє ліве положення і увімкніть джерела живлення. При цьому світлодіод на панелі буде світитись, що свідчитиме про нагрівання води. Визначте мінімальну температуру tмін регулювання в мить гасіння світлодіода.
З. Виведіть задавальний резистор у крайнє праве положення. Визначте максимальну температуру tмакс регулювання.
4. При режимі максимальної температури регулювання визначте за секундоміром тривалість перехідного процесу (час світіння світлодіода) п.
5. Замініть в калориметрі термометр на інший з ціною поділки 0,1 °С. У режимі максимальної температури регулювання визначте точність регулювання ; для цього визначте температуру води t1 в мить вимкнення нагрівача і t2 - у мить ввімкнення нагрівача.
Список літератури
1. Вовкотруб В.П. Електронні основи кібернетичних машин та автоматики. Лабораторний практикум: Навчальний посібник/ В.П.Вовкотруб, Н.В.Подопригора, Н.В.Манойленко. – Кіровоград, 2012. – 86 с.
2. Козеренко С.І. Електронні основи автоматики та обчислювальної техніки. Навчальний посібник/ Козеренко С.І., Касперський А.В., Богданов І.Т. – К.: НПУ імені М.П.Драгоманова, 2008. – 124 с.
2. Прокопенко М.М. Опис лабораторних занять з набірним полем «Школяр» / М.М.Прокопенко. – К., 2005. – 76 с.