Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»




Скачать 252.12 Kb.
НазваниеМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
страница1/3
Дата публикации10.08.2013
Размер252.12 Kb.
ТипМетодические указания
litcey.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3
Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»


Е.М. Патрушев, Т.В. Патрушева, В.Н. Седалищев

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Физические основы получения информации»

для студентов направления 200100

«Приборостроение»
Часть 3

Барнаул 2012г.

УДК 53.08(075.5)


Патрушев Е.М., Патрушева Т.В., Седалищев В.Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» для студентов направления 200100 «Приборостроение» Часть 3 / АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул, 2012.- 24с.

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, задания к лабораторным работам, требования к оформлению отчетов.

Рассмотрены и одобрены

на заседании кафедры

«Информационные технологии»

Протокол №2 от 22 ноября 2011г.

^ Лабораторная работа №1

«Исследование электропотенциального

измерительного преобразования»
Краткие теоретические сведения

Физической основой электропотенциального преобразования является зависимость распределения электрического потенциала на поверхности объекта, по которому протекает электрический ток, от свойств этого объекта.

Картину электрического поля на поверхности проводящего электрический ток объекта удобно представлять линиями напряженности поля Е (силовыми линиями, линиями тока) и эквипотенциальными линиями (рисунок 1.1).


Рисунок 1.1  Картина силовых и эквипотенциальных линий в пластине с прорезью


Рисунок 1.2  Картина силовых и эквипотенциальных линий в пластине без прорези
Эквипотенциальными называются линии, все точки которых находятся под одним потенциалом . Величины Е и  связаны соотношением:

, (1.1)

где dl − элементарное линейное перемещение вдоль линии максимального

изменения φ.

Линии напряженности электрического поля всегда нормальны к эквипотенциальным линиям. Эквипотенциальные линии обычно проводятся таким образом, чтобы разность потенциалов двух любых соседних линий была величиной постоянной. В этом случае по густоте эквипотенциальных линий можно судить о значении напряженности электрического поля.

Величины плотности тока и напряженности электрического поля связаны соотношением:

=, (1.2)

где   удельная электрическая проводимость.

На постоянном токе картина электрического поля на поверхности объекта определяется электрической проводимостью его материала, размерами и формой объекта, расположением подводящих электрический ток электродов, наличием включений с отличающимися от основного материала свойствами. На переменном токе ввиду скин-эффекта кроме вышеперечисленных факторов на картину электрического поля оказывают влияние частота электрического тока и магнитная проницаемость материала.
^ Цель работы: Ознакомиться с физическими основами электропотенциального преобразования, экспериментально определить картину электрического поля на поверхности проводящей электрический ток пластины и влияние на топографию поля месторасположения токопроводящих электродов, наличия и ориентации несплошности (прорези) пластин.
Программа работы

Определить картины электрических полей (эквипотенциальные линии и линии напряженности) при пропускании постоянного электрического тока через пластину без прорези при различном расположении токоподводящих электродов.

Определить картины электрических полей (эквипотенциальные линии и линии напряженности) при пропускании постоянного электрического тока через пластину с прорезью при различном расположении токоподводящих электродов.

Определить распределение значений электрического потенциала и напряженности электрического поля вдоль отдельных линий напряженности поля.

Объекты исследования и средства измерений

Токопроводящие электрический ток пластины без прорези и с прорезью расположены на лицевой панели стенда. На пластинах имеются контактные штыри для подключения токоподводящих электродов и нулевого потенциального электрода. Для определения местоположения точек измерения имеются координатные сетки. Питание постоянным электрическим током осуществляется с блока питания – гнезда "I пластин" и "" Измерение потенциалов точек поверхности пластин осуществляется универсальным цифровым вольтметром В7-16А (В7-21) с помощью специального измерительного щупа, имеющего измерительный электрод, провод с гнездом для подключения нулевого электрода.
Методические рекомендации по выполнению

лабораторной работы №1

Для экспериментального определения картины электрического поля при пропускании постоянного электрического тока через пластину без прорези используется схема согласно рисунка 1.3. Значение питающего тока установлено равным 1,5 А. Нулевой потенциальный электрод измерительного щупа подключается к контактному штырю, расположенному на поперечной оси симметрии пластины. Определение эквипотенциальных линий на поверхности пластины рекомендуется начинать с определения координат точек, имеющих нулевой потенциал. Далее определяются координаты точек, имеющих потенциалы относительно нулевого электрода ± 0,1; ± 0,2; ± 0,3 мВ и т.д.


Рисунок 1.3  Функциональная схема установки

Картина эквипотенциальных линий наносится на выполненный в масштабе 1:1 чертеж пластины. Далее строятся линии напряженности электрического поля (силовые линии поля). Начальное направление силовых линий li от точек подключения токовых электродов удобно задавать через 20˚, начиная от прямой, соединяющей токовые электроды.

Экспериментальное определение картины электрического поля при пропускании постоянного электрического тока через пластину с прорезью осуществляется аналогично предыдущему случаю.

Для определения распределения значений потенциала и напряженности электрического поля вдоль отдельных силовых линий используются результаты, полученные при выполнении первых двух пунктов данного раздела. Вначале строится график зависимости φ(li) для отдельной силовой линии поля (рисунок 10 а), а далее на основе этой зависимости – график зависимости E(li). При этом для выбранных интервалов l находятся соответствующие им приращения ∆φ (рисунок 10 б). Значение Е, соответствующее середине интервала l, находится по формуле:

E= - ∆φ / ∆l. (14)

Значение l удобно выбирать равным 10 мм.


а) зависимости φ(li) для отдельной силовой линии поля;

б) приращение ∆φ

Рисунок 1.4  График зависимости φ(li) и приращения ∆φ

^ Лабораторная работа №2

«Исследование измерительных преобразований в тепловых полях»
Краткие теоретические сведения

Основным уравнением измерительных преобразований в тепловых полях является уравнение теплового баланса, согласно которому подводимое к объекту количество теплоты Qвн равно сумме количества теплоты Qp, отдаваемой им в среду, и количества теплоты Qс, идущей на изменение его теплосодержания:

Qвн=Qp+ Qc. (2.1)

Количество отдаваемой в единицу времени теплоты qр (полный тепловой поток теплоотдачи) равно сумме тепловых потоков теплопроводности qm, конвекции qк и излучения qл:

qр = qm−qк−qл, (2.2)

Теплообмен посредством теплопроводности происходит путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Тепловой поток теплопроводности в некотором объекте, создаваемый разностью температур  определяется зависимостью:

qmm∆θ, (2.3)

где γm  теплопроводность объекта.

По аналогии с электрической проводимостью тепловая проводимость стержня длиной l и сечением S может быть определена как:

=S/l, (2.4)

где  - коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и физического состояния вещества. Теплопроводность твердых тел в большинстве случаев обусловлена двумя механизмами: движением электронов проводимости (доминирует в металлах) и тепловыми колебаниями атомов решетки (определяет теплопроводность неметаллов). Соответственно теплопроводность металлов пропорциональна их электрической проводимости.

Теплообмен посредством конвекции осуществляется за счет перемещения материальных частиц, имеющих разную температуру. Тепловой поток конвекции равен:

qk = k∆θ = αk Sn∆θ, (2.5)

где k – проводимость теплоотдачи путем конвекции;

∆θ – разность температур окружающей среды и тела;

αk коэффициент конвективного теплообмена;

Sn – площадь поверхности тела.

Коэффициент конвективного теплообмена зависит от размеров тела, формы поверхности, теплопроводности и вязкости взаимодействующей с телом среды, но главным образом от скорости V взаимного перемещения тела и среды. Можно ориентировочно принять, что αk пропорционален V0,4.

Сущность теплообмена посредством излучения заключается в излучении телом электромагнитных волн определенной длины. Тепловой поток излучения системы двух тел:

qл = л∆θ = αлS12∆θ, (2.6)

где л  проводимость теплоотдачи путем излучения;

∆θ  разность температур двух тел;

αл  коэффициент теплообмена излучением;

S12  взаимная поверхность излучения тел.

Коэффициент теплообмена излучением зависит от формы, взаиморасположения, температуры взаимодействующих тел, от состояния и цвета их поверхностей. Взаимная поверхность излучения двух плоскопараллельных тел, квадрат расстояния между которыми меньше площадей их поверхностей, равна площади поверхности меньшего тела, обращенной к другому телу.

Тепловой поток изменения внутренней энергии (теплосодержания тела) описывается выражением:

qc = dQс/dt = cmd/dt, (2.7)

где c − теплоемкость;

m – масса;

θ – температура тела.

Наличие теплового потока qc обуславливает инерционность изменения температуры тела при изменении температуры окружающей среды или теплового потока qвн, подводимого к телу. Если в момент времени t = 0 существовала разность ∆θ0 температуры тела θm и температуры окружающей среды θс, то при отсутствии qвн и постоянстве θс уравнивание температур θm и θс происходит по апериодическому закону:

θm= θс + ∆θ0 e-t, (2.8)

где τ − показатель тепловой инерции (постоянная времени апериодического процесса).

Величина τ является функцией параметров тела и окружающей среды:

=cm/, (2.9)

где  − полная тепловая проводимость окружающей среды.

Следует отметить, что начальный участок реального теплового процесса, называемый дорегулярным режимом, отличается от описываемого уравнением (2.8), что обусловлено перераспределением температур в толще самого тела. В нашем же случае будем считать, что весь тепловой переходный процесс протекает в регулярном режиме и описывается уравнением (2.8).
^ Цель работы: Ознакомиться с физическими основами измерительных преобразований в тепловых полях, вариантами их практической реализации. Экспериментально оценить для разных условий значения тепловых проводимостей посредством теплопроводности, конвекции, лучеиспускания, а также значения показателей тепловой инерции. Экспериментально определить зависимость этих величин от свойств объекта и окружающей среды.
Программа работы

Определить экспериментально значения теплопроводности и коэффициента теплопроводности образцов из различных металлов.

Определить экспериментально зависимость проводимости теплоотдачи путем конвекции.

Сравнить экспериментально значения проводимости теплоотдачи путем лучеиспускания для объектов с разным цветом поверхности.

Объекты исследования и средства измерения

Объектами исследований являются три одинаковые по размерам полоски из разного металла (сталь, дюраль, медь), четыре одинаковые по размерам дюралевые пластинки с разным состоянием поверхности (две полированные и две чернёные). В качестве нагревателя используется транзистор КТ 818В. Для измерения температуры используется электронный термометр, в котором в качестве чувствительных элементов используются диоды КД 105. Термометр конструктивно выполнен на отдельной плате с выносными термочувствительными элементами. Питание термометра осуществляется с блока питания. Крепление нагревателя и термочувствительных элементов на объектах исследования жесткое. Для создания высокого градиента температуры при исследовании тепловой проводимости металлических полосок используется радиатор, закрепленный жестко на пластинах. Крепление объектов исследования осуществлено внутри стенда.
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы
Для определения значений теплопроводности и коэффициента теплопроводности материала металлической полоски используется схема (рисунок 2.1,а). Согласно выражению (2.3) теплопроводность участка образца между двумя его сечениями может быть определена следующим образом:

m =qm/∆, (2.10)

где qm  тепловой поток теплопроводности через сечения образца;

∆  разность температур в первом и втором сечениях.

Тепловой поток теплопроводности через металлическую полоску может быть создан с помощью нагрева одного конца полоски нагревателем и охлаждения другого конца полоски с помощью радиатора за счет естественной конвекции. Условно принимаем, что при установившемся тепловом режиме весь тепловой поток qвн, создаваемый нагревателем, передается радиатору за счет теплового потока теплопроводности металлической полоски:

qвн=qm. (2.11)

Подводимый к объекту тепловой поток qвн равен мощности нагревателя и может быть определен путём измерения тока I и напряжения U нагревателя:

qвн=qm=IU. (2.12)

I=0.5А; U=12В

При проведении данного эксперимента на нагреватель подается максимальная мощность. Температуры сечений образца могут быть измерены с помощью электронного термометра, выходные напряжения которого прямо пропорциональны температурам его термочувствительных элементов:

t = SUвых, (2.13)

где t  температура в градусах Цельсия;

S  чувствительность преобразования, равная 100 град/В;

Uвых  выходное напряжение электронного термометра, В.

Следует обратить особое внимание на то обстоятельство, что используемое в расчетах соотношение (2.12) справедливо только в случае установившегося температурного режима (при отсутствии теплового потока изменения теплосодержания тела). В соответствии с этим следует, учитывая инерционность теплового процесса ( = 1 мин), проводить измерение разности температур  не ранее, чем через 1 минуту после включения нагревателя. Значение теплопроводности m участка пластин между центрами чувствительных элементов определяется по формуле (2.10), а коэффициент теплопроводности   из соотношения (2.4) при известных значениях геометрических параметров металлической полоски: S = 4 мм2; l = 200 мм.

Для определения экспериментальной зависимости проводимости теплоотдачи путем конвекции используется электрическая схема рис.13,б. Объектом исследования в этом случае является металлическая пластинка из полированного дюраля с закрепленным на ней нагревателем и термочувствительным элементом. Второй термочувствительный элемент закреплен на пластинке из черненого дюраля и служит для измерения температуры окружающей среды. Проводимость теплоотдачи путем конвекции определяется по формуле:

k =qk/∆. (2.14)

В данном случае при установившейся температуре пластинки (отсутствии теплового потока изменения теплосодержания) можно принять, что практически весь подводимый к пластинке тепловой поток нагревателя расходуется на теплообмен с окружающей средой путем конвекции:

qк=qвн =IU. (2.15)

Другими составляющими теплообмена ввиду крепления пластинки на теплоизолирующем кронштейне, относительно низкой ее температуры и полированной поверхности в нашем случае можно пренебречь.


G  регулируемый источник постоянного напряжения;

I  термочувствительный элемент;

Н  нагреватель;

ЭТ – электронный термометр;
  1   2   3

Похожие:

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Седалищев В. Н. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» для...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации»
Патрушев Е. М., Патрушева Т. В методические указания к практическим занятиям по курсу «Физические основы получения информации» для...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconВ. Н. Седалищев физические основы получения информации
Седалищев В. Н., Физические основы получения информации: учебное пособие/Алт гос техн ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по курсу “Системы передачи...
Исследование протоколов сетевого уровня ip-сетей с помощью анализатора протоколов
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ Омск 2006
П. С. Гладкий, Е. А. Костюшина, М. Е. Соколов, Проектирование баз данных: Методические указания к лабораторным работам. Омск: Издательство:...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрология,...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» студентами,...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Метрологическое...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Метрологическое обеспечение научного эксперимента»...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания к лабораторным работам по дисциплине «Пьезорезонансные...
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Пьезорезонансные нелинейные измерительные преобразователи»...
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания по лабораторным занятиям По дисциплине
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании умкс и рекомендованы к изданию
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физические основы получения информации» iconМетодические указания Новосибирск 2003 Государственный комитет Российской Федерации
Методические указания предназначены для использования в процессе лабораторного практикума по курсу «Основы теории массового обслуживания»...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
litcey.ru
Главная страница