WinWord 3,5Mb
advertisement
Радиационный термометр на термостолбике Никитин Алексей Состав установки: 1. термостолбик, 2. дифференциальный усилитель, 3. АЦП, 4. блок питания. 1. Термостолбик Термостолбик (рис. 1) представляет собой набор термопар, соединенных последовательно (рис. 2). Рис. 1. Внешний вид термостолбика. Рис. 2. Последовательно соединенные термопары( в увеличенном виде). Термопара (рис.3) - прибор, создающий разность потенциалов за счет притока тепа и состоящий из двух разнородных металлов со спаянными концами. Если создать термопару, состоящую из трех проволок (медь-железо-медь), то получится два спая. Если спай а нагревать, Рис. 3. Термопара. Сверху – рисунок термопары, а спай b оставить при комнатной снизу – фотография. температуре, то спай a называется горячим спаем, а спай b –холодным спаем (рис.4). Термопара представляет собой источник электрической энергии. Для присоединения к этому источнику внешней цепи один из металлов в какой-либо точке разрывается, и его свободные концы становятся полюсами. Иногда спаивают одну пару концов металлов, а вторую оставляют свободной. Тогда полюсами оказываются свободные концы металлов. 1 Приведем в контакт две металлические пластинки. Поскольку свободные электроны в металлах совершают хаотическое движение, через поверхность соприкосновения пластинок будет происходить диффузия электронов. Если соприкасающиеся металл одинаковы и находятся при одной и той же температуре, то будет осуществляться только обмен электронами, так как условия перехода электронов из одной пластинки в другую тождественны. Если привести в контакт две Рис. 4. Точка а называется горячим спаем, пластинки из разных металлов (рис.5), то точка b – холодным спаем. число свободных электронов в единице объема, т.е. плотность электронного газа, у них различно. Допустим, что в металле Б плотность электронного газа больше, чем в металле А. Тогда из металла Б в А будет переходить больше электронов, чем в обратную сторону. Рис. 5. Плотность электронов в Если бы электроны не обладали электрическим металле А меньше, чем в Б. При их соприкосновении вследствие зарядом, то их диффузия происходила бы до тех пор, преимущественной диффузии пока плотность и давление электронного газа в обеих электронов из Б в А между пластинках не стали бы одинаковыми. Наличие зарядов металлами возникает у электронов меняет эту картину. контактная разность До соприкосновения металлические пластинки потенциалов. были электрически нейтральными. При их соприкосновении металл Б, теряя электроны, заряжается положительно, а металл А, приобретая электроны,- отрицательно. Следовательно, между пластинками возникает разность потенциалов, обусловленная неравномерным переходом электронов из одной пластинки в другую. Разность потенциалов, возникающая между разнородными металлами, при их соприкосновении, называется контактной разностью потенциалов. Эта разность потенциалов противодействует переходу электронов из металла Б в металл А. В первый, очень короткий промежуток времени после соприкосновения металлов разность давлений электронного газа в них оказывается большее действие на электроны, чем возникающее между металлами электрическое поле, и электроны преимущественно переходят из металла Б в металл А. При этом разность давлений электронного газа в металлах уменьшается, а контактная разность потенциалов повышается. Этот процесс идет до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, при котором количества электронов, переходящих в обе стороны через поверхность соприкосновения металлов, становится одинаковыми. Для каждых двух металлов при одной и той же температуре контактная разность потенциалов имеет наибольшую величину при подвижном равновесии. Когда говорится о контактной разности потенциалов, то подразумевают ее наибольшие значение. Разность плотностей электронного газа в металлах может создать разность потенциалов всего лишь в нескольких сотых долей вольта. При повышении температуры свободные электроны в обоих металлах начинают двигаться быстрее; давление электронного газа в том металле, в котором плотность электронного газа больше, возрастает в большей степени. Это приводит у увеличению разности давлений электронного газа и к нарушению подвижного равновесия. Переход электронов из металла Б в А возобновляется, что вызывает увеличение контактной 2 разность потенциалов до тех пор, пока опять не наступит подвижное равновесие. Следовательно, контактная разность потенциалов зависит от температуры, возрастая при нагревании соприкасающихся металлов. Как показывает опыт, для каждых двух металлов при заданной температуре контактная разность потенциалов постоянна и не зависит от того, имеются ли между ними другие металлы или же они соприкасаются непосредственно. Термоэлектродвижущие силы некоторых термопар (в вольтах на 100o C ) Сурьма-висмут Медь-железо Медь-константан Серебро-константан Серебро-никель Платина-платинородий (сплав 90% платины и 10% родия) -0,011 +0,0010 -0,0047 -0,0041 -0,0024 -0,0010 Знак + обозначает, что ток идет через нагретый спай от первого металла ко второму. 2. Дифференциальный усилитель Сигнал с термостолбика передается на вход дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель – широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Дифференциальный усилитель - это схема используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов и определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют СИНФАЗНЫМ: дифференциальный (или разностный) усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал. Дифференциальные усилители используются в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. На рис. 6 U кк показана основная схема дифференциального усилителя. Выходное Rк Rк напряжение измеряется на одном из Выход коллекторов относительно потенциала земли; такой усилитель называют схемой с Вход 1 однополюсным выходом или разностным T1 T2 Вход 2 Rэ A Rэ усилителем. Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал и R1 преобразует его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы. Если же нужен дифференциальный сигнал, U ээ то его снимают между коллекторами. Коэффициент усиления не трудно Рис. 6. Классический транзисторный подсчитать: допустим, на вход подается дифференциальный усилитель дифференциальный сигнал, при этом 3 напряжение на входе 1 увеличивается на величину uвх (изменение напряжения для малого сигнала по отношению ко входу). До тех пор пока оба транзистора находятся в активном режиме, потенциал точки А фиксирован. Коэффициент усиления можно определить как и в случае усилителя на одном транзисторе, если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к RК переходу база-эмиттер любого транзистора: К ДИФ . Сопротивление резистора 2(rЭ RЭ ) RЭ обычно не велико( 100 Ом и меньше), а иногда этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз. Усиление синфазного сигнала в дифференциальном усилители можно значительно уменьшить, если резистор R1 заменить источником тока. При этом действующие значение сопротивления R1 станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля. Следовательно, сигнал на выходе схемы не изменится. Пример подобной схемы приведен на рис. 6.1. В данной установке был использован дифференциальный усилитель на микросхеме К140УД701. Его схема Рис. 6.1 Увеличение КОСС дифференциального усилителя с помощью источника тока Рис. 7. Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 7. Питается этот усилитель от источника питания, схема которого представлена на рис. 8. От этого же источника питания питается и АЦП. 4 Рис.8. Схема блока питания Усилитель и источник тока собраны на одной печатной плате (рис. 9).Эта плата вместе с платой АЦП помещены в пластиковую коробку, на передней панели которой находятся разъем для подключения термостолбика и переключатель усиления. В нижнем положении коэффициент усиления находится в пределах от 1600 до 1700,а в верхнем – от 350 до 450. В этой же коробке находится и АЦП. Рис. 9. Блок питания и дифференциальный усилитель, смонтированные на одной плате 3. АЦП АЦП собрано на микросхеме К554АС3Б. В делителе r-2r использованы резисторы номиналом 7,5 кОм и 15 кОм. Схема АЦП представлена на рис. 10. Рис. 10. Принципиальная схема АЦП. 5 На рисунках 11 и 12 приведены фотографии АЦП со стороны деталей и со стороны печатных проводников. Рис. 11. Вид на плату АЦП со стороны деталей. Рис. 12. Вид на плату АЦП со стороны печатных проводников. Опыты, проводимые с данной установкой 1. Опыт со стаканом: Возьмем алюминиевый стакан, закопченный с одной стороны, и нальем в него кипяток. Поставим термостолбик на расстоянии 15-20 см. от стакана (стакан повернут к термостолбику не закопченной стороной), запустим программу. На экране мы увидим, как график пойдет вверх. Повернем стакан закопченной стороной, мы увидим, что график пошел еще круче вверх. Объясняется это тем, что закопченная сторона стакана излучает сильнее. Если же опять перевернуть стакан, так чтобы он был обращен не закопченной стороной к термостолбику, то мы заметим понижение температуры относительно закопченной стороны. Однако через несколько секунд температура снова будет повышаться. Объясняется это тем, что хотя закопченная сторона излучает сильнее, но даже температура не закопченной выше комнатной температуры. 2. Опыт с зеркалом: Закрепим термостолбик в фокусе сферического зеркала (рис. 13) (зеркало собирает излучение с большей площади, нежели термостолбик, и фокусирует его в одной точке), 6 таким образом термостолбик может фиксировать горячие предметы на большем расстоянии, чем без зеркала. Так как расстояние возросло, то «нацелится» на горячее тело труднее. Для этой цели используется лазер, закрепленный на термостолбике (рис.13). Таким образом можно зафиксировать горячую плитку на расстоянии до 4 м. Рис. 13. Зеркало с закрепленным термостолбиком Предполагалось произвести градуировку установки для получения значения температуры нагретого тела, но на это не хватило времени. Используемая литература: 1) Л.С.Жданов, В.А.Маранджян «Курс Физики» 2) Г.С.Ландсберг «Элементарный учебник физики» 3) П.Хоровиц, У.Хилл «Искусство схемотехники» 7
