УСТАНОВКА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G09B23/16 

Изобретение относится к учебным приборам, предназначенным для демонстрации на уроках физики, в учебных заведениях различного уровня, изотермического процесса как одного из процессов термодинамики с регистрацией абсолютных значений параметров газа.

Известен лабораторный стенд по термодинамике, предназначенный для исследования процесса изотермического сжатия газа и содержащий стеклянный сосуд, заполненный исследуемым газом, соединенный с сосудом, заполненным ртутью, и приборы для измерения параметров газа (SU 1742848 А1, 1992 г.). Использование известного стенда при проведении лабораторных работ по исследованию изотермического процесса предусматривает применение ртути, что обуславливает высокие требования к технике безопасности и исключает возможность проведения работ на стенде в школьных физических лабораториях.

Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является лабораторный стенд, предназначенный для изучения законов молекулярной физики и термодинамики и содержащий коробчатый корпус с ложементами для укладки и фиксации приборов и оборудования, необходимых для проведения опытов. Известный стенд может быть использован для исследования различных термодинамических процессов, в частности изотермического процесса (RU 2205456 С1, 2003 г.).

Недостаток известного лабораторного стенда состоит в том, что используемые в нем средства не обеспечивают необходимую точность измерения параметров термодинамических процессов, и в том числе изотермического процесса. Кроме того, в известном стенде не предусмотрены средства, которые позволили бы обеспечить использование результатов, полученных при проведении опытов, для наглядной демонстрации закономерностей изотермического процесса с использованием современных компьютерных технологий.

Указанные технические решения являются аналогами к каждому из предлагаемых вариантов выполнения установки.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи по созданию установки, предназначенной для изучения особенностей, происходящих в термодинамической системе при постоянной температуре.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении эффективности обучения, расширении дидактических возможностей, сокращении времени на изучение конкретного раздела термодинамики, в повышении точности измерений параметров газа при протекании изотермического процесса, в упрощении конструкции установки. В процессе измерения абсолютные значение параметров газа выводятся на экран компьютера в цифровом и графическом виде, что делает демонстрацию более наглядной.

Для достижения указанного технического результата заявляется два варианта выполнения установки.

В соответствии с первым вариантом выполнения предлагается конструкция установки для демонстрации изотермического процесса, содержащей герметичный резервуар, закрепленный в вертикальном положении на держателе и состоящий из жестко соединенных между собой нижней цилиндрической части со штуцером, заполняемой исследуемым газом, и верхней цилиндрической части. Внутри нижней части резервуара расположено средство для сжатия газа, представляющее собой поршень, установленный на штоке, размещенном в резервуаре с возможностью вращения вокруг своей оси и относительно поршня и перемещения вдоль оси резервуара. В верхней части резервуара расположен датчик перемещения, регистрирующий положение поршня при его поступательном движении вдоль оси резервуара (в нижней части резервуара), по которому (т.е. по упомянутому положению поршня) судят об изменении объема исследуемого газа в резервуаре в подпоршневой полости. Датчик перемещения образован двумя платами, смонтированными на внутренней поверхности верхней части резервуара, на каждой из которых установлен геркон и оптическая пара (оптический датчик), и трехполюсными магнитами, закрепленными на штоке для обеспечения их совместного вращения вместе со штоком, образующим подвижный элемент датчика перемещения. В конструкции установки имеется также датчик давления, служащий для регистрации изменения давления исследуемого газа при его сжатии в подпоршневой полости и подсоединенный к штуцеру нижней части резервуара посредством вакуумного шланга.

Трехполюсные магниты датчика перемещения смонтированы на гранях квадратной в поперечном сечении обоймы, закрепленной на штоке. Оси плат датчика перемещения, проходящие радиально относительно центральной оси резервуара, расположены под углом 120-160° друг к другу.

Согласно второму варианту выполнения предлагается установка для демонстрации изотермического процесса, содержащая герметичный резервуар, закрепленный в вертикальном положении на держателе и состоящий из жестко соединенных между собой нижней цилиндрической части со штуцером, заполняемой исследуемым газом, и верхней цилиндрической части. Внутри нижней части резервуара расположено средство для сжатия газа, представляющее собой поршень, установленный на штоке, размещенном в резервуаре с возможностью вращения вокруг своей оси и относительно поршня и перемещения вдоль оси резервуара. В верхней части резервуара расположен датчик перемещения, регистрирующий положение поршня при его поступательном движении (перемещении) вдоль оси резервуара (в нижней части резервуара), по которому (т.е. по упомянутому положению поршня) судят об изменении объема исследуемого газа в подпоршневой полости в резервуаре. Датчик перемещения выполнен в виде расположенной внутри цилиндрического резервуара катушки индуктивности, сердечник которой образован набором ферритовых колец и расположен на упомянутом штоке. В конструкции установки предусмотрен датчик давления, служащий для регистрации изменения давления исследуемого газа при его сжатии внутри резервуара и подсоединенный к штуцеру нижней части резервуара посредством вакуумного шланга.

В обоих вариантах установки предусмотрены следующие частные случаи выполнения составных частей.

Подвижный элемент датчика перемещения образован штоком поршня.

Нижняя часть цилиндрического резервуара предпочтительно выполняется из полупрозрачного пластика.

Держатель резервуара включает штатив и расположенные один под другим захват с дугообразными лапками и кольцевой захват, охватывающие снаружи цилиндрический резервуар и закрепленные на штативе с возможностью изменения их положения по высоте стойки штатива.

Поршень соединен со штоком посредством радиального подшипника, обеспечивающего возможность вращения штока относительно поршня.

Поршень имеет на своей наружной поверхности уплотнительный элемент.

Использование в предлагаемой установке датчика перемещения, составляющего единую конструкцию с цилиндрическим герметичным резервуаром, и датчика давления, служащего для регистрации изменения давления газа внутри резервуара и сообщающегося с вакуумным объемом, образованным в нижней части резервуара под поршнем, позволяет не только определить параметры газа на различных этапах протекания изотермического процесса, но и одновременно и непосредственно передать значения этих параметров (давления и объема газа) в компьютерную систему, где происходит их обработка и преобразование в графики зависимости между этими параметрами. Это позволяет учащимся быстро и эффективно усвоить изучаемый материал. При этом возможность использования компьютерных технологий при демонстрации закономерностей изотермического процесса будет способствовать проявлению особого интереса к изучаемому материалу со стороны учащихся. Использование датчиков для регистрации результатов проведения опытов исключает необходимость фиксировать результаты опыта вручную, благодаря чему значительно сократится время на изучение одного из разделов термодинамики. При этом установка имеет простую конструкцию и не требует специальных знаний и навыков в ее обслуживании.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен общий вид установки для демонстрации изотермического процесса; на фиг.2 - конструкция герметичного цилиндрического резервуара в разрезе, соответствующая первому варианту выполнения установки; на фиг.3 - фрагмент выполнения установки по первому варианту, показывающий узел крепления поршня со штоком и трехполюсные магниты датчика перемещения, смонтированные на гранях обоймы, закрепленной на штоке; на фиг.4 - вид по А-А на фиг.2; на фиг.5 - конструкция герметичного цилиндрического резервуара в разрезе, соответствующая второму варианту выполнения установки.

Установка содержит герметичный цилиндрический резервуар 1, состоящий из нижней цилиндрической части 2 со штуцером 3 и верхней цилиндрической части 4. Нижняя часть 2 резервуара предпочтительно выполнена из полупрозрачного пластика. Нижний участок 5 верхней части 4 резервуара 1 входит внутрь нижней части 2 через ее открытый торец 6 с образованием герметичного соединения и жестко скреплен с частью 2 крепежными элементами 7 с целью исключения смещения частей 2 и 4 относительно друг друга в окружном, радиальном и осевом направлениях.

Резервуар 1 закреплен на держателе, в качестве которого используется штатив, включающий вертикальную стойку 8, смонтированную в опоре 9. На стойке 8 установлены два расположенные один под другим захвата, которые обеспечивают надежное крепление резервуара 1 в вертикальном положении. Один из захватов образован дугообразными лапками 10 и 11, которые охватывают цилиндрический резервуар 1. Второй захват 12 имеет кольцевую форму и охватывает резервуар 1 по периметру его боковой поверхности. Положение обоих захватов по высоте стойки 8 может регулироваться.

Внутри резервуара 1 в его нижней части 2 расположен поршень 13, который установлен на вертикальном штоке 14, проходящем по оси 15 резервуара 1. Шток 14 установлен в резервуаре 1 с возможностью перемещения вместе с установленным на нем поршнем 13 вдоль оси 15 резервуара и с возможностью вращения вокруг своей оси, совпадающей с осью 15. В качестве средства перемещения штока использована пара винт-гайка, образованная верхним концом 16 штока 14, имеющим винтовую нарезку, и опорой 17 с резьбовым отверстием 18. Для перемещения и вращения штока 14 служит головка 19, выполненная на верхнем конце штока. Кроме того, на верхнем конце штока установлена герметизирующая вставка 20, жестко прикрепленная к верхней части резервуара посредством заклепок 21. Поршень 13 соединен со штоком посредством радиального подшипника 22, обеспечивающего вращение штока относительно поршня. Благодаря такому соединению поршня 13 и штока 14 при вращении штока поршень не вращается, вследствие чего не происходит износ уплотнительного элемента 23 поршня. В качестве ограничителя верхнего положения поршня 13 вверх служит нижний торец 24 верхней части 4 резервуара 1.

Рабочей полостью резервуара 1 является полость А, расположенная под поршнем 13 в нижней части 2 резервуара и заполняемая исследуемым газом.

На штоке 14 в его нижней части посредством гаек 25 закреплена обойма 26, имеющая в поперечном сечении квадратную форму. На противолежащих гранях 27 и 28 обоймы 26 смонтированы трехполюсные магниты 29. В результате такого крепления обеспечивается совместное вращение магнитов 29 со штоком 14. На внутренней поверхности верхней части 4 резервуара 1 смонтированы посредством крепежных элементов две платы 30, расположенные по всей длине верхней части 4 резервуара 1. На каждой плате установлен геркон 31, представляющий собой переключатель с пружинными контактами из ферромагнитного материала, срабатывающими под действием внешнего магнитного поля магнитов 29. Кроме того, на платах 30 установлена разнесенная оптическая пара, светодиод 32 которой расположен на одной из плат, а фотодиод 33 - на другой. Платы 30 с герконами 31 и оптической парой и магниты 29 образуют датчик перемещения, который регистрирует положение поршня 13 при его поступательном перемещении вдоль оси 15 резервуара 1. При этом резервуар 1 составляет единую конструкцию с датчиком перемещения, а шток 14 фактически является подвижным элементом датчика перемещения. По показаниям датчика перемещения судят об изменении объема исследуемого газа в подпоршневой зоне при воздействии на него со стороны поршня 13.

Оси 34 плат 30 проходят радиально относительно центральной оси 15 резервуара 1 и расположены с одной стороны под углом α друг к другу, а с другой - под углом β друг к другу, при этом угол β больше угла α.

Платы 30 с герконами и оптической парой соединены проводом 35 и посредством микроконтроллера с измерительным блоком (не показаны).

В установке использован также датчик давления 36, который регистрирует изменение давления в подпоршневой зоне исследуемого газа при его сжатии поршнем 13. Датчик давления 36 подсоединен к штуцеру 3 в нижней части 2 резервуара 1 посредством герметичного шланга 37.

В соответствии со вторым вариантом выполнения установка имеет аналогичную конструкцию за исключением иного выполнения датчика перемещения, образованного катушкой индуктивности (фиг.5), включенной в LC-контур и расположенной внутри цилиндрического резервуара 1. Сердечник 38 катушки индуктивности образован набором ферритовых колец 39 и расположен внутри цилиндрической катушка 40. Ферритовые кольца 39 насажены на цилиндрическую трубку 41, которая охватывает с зазором 42 шток 14. На поршень 13 навинчена ступенчатая втулка 43, хвостовик 44 меньшего диаметра которой располагается в зазоре 42. На участке перехода ступени меньшего диаметра втулки 43 в ступень большего диаметра образуется площадка 45, на которую опирается набор ферритовых колец 39. Катушка 40 посредством проводов 46 соединена с микроконтроллером, который, в свою очередь, соединен с измерительным блоком (не показан).

Установка, выполненная по первому варианту, работает следующим образом.

В качестве средства, фиксирующего перемещение поршня 13, а следовательно, и изменение объема исследуемого газа использованы герконы 31, оптическая пара и трехполюсные магниты 29. Предварительно подают напряжение в измерительную систему, затем поршень 13 устанавливается в нижнюю мертвую точку системы, когда объем исследуемого газа в подпоршневой полости А минимален. В этот момент происходит самокалибровка системы посредством сигнала с оптической пары (т.е. определяется предполагаемая нулевая отметка). Далее при вращении штока 14 за головку 19 поршень 13, не вращаясь, перемещается вверх и вниз, тем самым сжимая или расширяя исследуемый газ в полости А. Измерение перемещения поршня 13 и соответственно изменения объема исследуемого газа происходит дискретно. Степень дискретности зависит от шага резьбы штока 14 (винтовой пары). Значение объема получают посредством пересчета. Датчик абсолютного давления 36 герметично подключается к системе в одном из произвольных положений поршня 13, в зависимости от типа эксперимента, что делает систему замкнутой. Трехполюсные магниты 29, попадая в области срабатывания герконов 31, коммутируют сигналы на микроконтроллер, который по сложному алгоритму сравнения временных диаграмм срабатывания герконов 31 определяет направление вращения штока и число оборотов. Чтобы безошибочно обеспечить необходимое направление вращения головки 19, а соответственно увеличение или уменьшение давления газа, используют показания совместного взаимодействия геркона 31 и элементов оптической пары (32, 33). Демонстрация опытов производится в соответствии с методическими указаниями, прилагаемыми к установке, по которой работает преподаватель.

Изменение давления газа в полости А под действием поршня фиксируется также датчиком абсолютного давления 36. Кроме того, при опускании поршня 13 изменяется объем полости А, а следовательно, и объем сжимаемого газа. При этом при каждом повороте штока 14 на один оборот и последовательном опускании при этом штока на один шаг резьбы, имеющейся на поверхности штока, датчик перемещения регистрирует (фиксирует) величину ΔL перемещения поршня 13 в пределах этого шага. Получаемая величина перемещения ΔL преобразуется в микроконтроллере в величину ΔV, которая характеризует изменение объема сжимаемого газа при опускании штока и поршня на элементарную величину ΔL. Работа датчика перемещения осуществляется следующим образом. В первоначальном положении на измерительном блоке (не показан) зафиксирована нулевая отметка, соответствующая объему газа при атмосферном давлении в полости А. При вращении штока 14 с опусканием поршня 13 магниты 29, установленные на вращающемся штоке, воздействуют на пружинные контакты герконов, включение - выключение которых регистрируется микроконтроллером (не показан) и на измерительный блок поступают сигналы показывающие, на сколько опустился поршень, ход которого зависит от шага резьбы на штоке. В этом случае изменение объема сжимаемого газа происходит дискретно в соответствии с шагом резьбы. При вращении головки 19 по часовой стрелке поршень 13 опускается вниз, т.е. объем газа в полости А уменьшается, а давление газа увеличивается.

Датчик объема и датчик давления подсоединяют через микроконтроллер с измерительным блоком к компьютеру (не показан). Данные об изменении объема и давления поступают на компьютер и фиксируются в том виде, который необходим пользователю: в цифровом, графическом, табличном, в виде диаграммы.

Результаты изменения давления можно наблюдать также по шкале 47, предусмотренной на внешней поверхности нижней части 2 резервуара 1.

При работе установки, выполненной по второму варианту, с перемещением штока 14 вниз происходит и перемещение набора ферритовых колец 39, от количества которых, взаимодействующих с катушкой, меняется ее электроиндукция и изменяется ток, величина которого фиксируется и передается проводами 46 на микроконтроллер, соединенный с измерительным блоком, и по этой величине судят о положении поршня 13 и, следовательно, об изменении объема исследуемого газа. Минимальное значение тока свидетельствует о минимальном значении объема и соответственно максимальное значение тока свидетельствует о максимальном объеме, которое измеряется датчиком давления.

Изобретение относится к установке, предназначенной для демонстрации изотермического процесса в процессе обучения. В герметичном резервуаре расположен установленный на штоке поршень. Подпоршневое пространство резервуара заполнено исследуемым газом. При перемещении штока вдоль оси резервуара поршень постепенно сжимает газ. Положение поршня, по которому судят об изменении объема газа, регистрируется датчиком перемещения. Регистрацию изменения давления газа при его сжатии осуществляют при помощи датчика давления, который подсоединяется к подпоршневой полости резервуара. В установке предусмотрено два варианта выполнения датчика перемещения. Данные об изменении объема газа при его сжатии, полученные путем пересчета показаний датчика перемещения, и данные об изменении давления газа, полученные с датчика давления, поступают в компьютер, где, в результате их обработки, можно получить изображения графиков и диаграмм, демонстрирующих особенности изотермического процесса. Технический результат - повышение эффективности обучения, расширение дидактических возможностей, сокращение времени на изучение конкретного раздела термодинамики, повышение точности измерений параметров газа при протекании изотермического процесса и упрощение конструкции установки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для демонстрации изотермического процесса, характеризующаяся тем, что она содержит
герметичный резервуар, закрепленный в вертикальном положении на держателе и состоящий из жестко соединенных между собой нижней цилиндрической части со штуцером, заполняемой исследуемым газом, и верхней цилиндрической части,
средство для сжатия газа, представляющее собой расположенный внутри нижней части резервуара поршень, установленный на штоке, размещенном в резервуаре с возможностью вращения вокруг своей оси и относительно поршня и перемещения вдоль оси резервуара,
датчик перемещения, расположенный в верхней части резервуара и регистрирующий положение поршня при его поступательном движении вдоль оси резервуара, по которому судят об изменении объема газа в резервуаре,
датчик давления, служащий для регистрации изменения давления исследуемого газа при его сжатии и подсоединенный к штуцеру нижней части резервуара посредством вакуумного шланга,
при этом датчик перемещения образован двумя платами, смонтированными на внутренней поверхности верхней части резервуара, на каждой из которых установлен геркон и оптическая пара, и трехполюсными магнитами, закрепленными на штоке для обеспечения их совместного вращения вместе со штоком, образующим подвижный элемент датчика перемещения.

2. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что нижняя часть цилиндрического резервуара выполнена из полупрозрачного пластика.

3. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что держатель резервуара включает штатив и расположенные один под другим захват с дугообразными лапками и кольцевой захват, охватывающие снаружи цилиндрический резервуар и закрепленные на штативе с возможностью изменения их положения по высоте штатива.

4. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что поршень соединен со штоком посредством радиального подшипника, обеспечивающего возможность вращения штока относительно поршня.

5. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что поршень имеет на своей наружной поверхности уплотнительный элемент.

6. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что трехполюсные магниты смонтированы на гранях квадратной в поперечном сечении обоймы, закрепленной на штоке.

7. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что оси плат, проходящие радиально относительно центральной оси резервуара, расположены под углом 120-160° друг к другу.

8. Установка для демонстрации изотермического процесса, характеризующаяся тем, что она содержит
герметичный резервуар, закрепленный в вертикальном положении на держателе и состоящий из жестко соединенных между собой нижней цилиндрической части со штуцером, заполняемой исследуемым газом, и верхней цилиндрической части,
средство для сжатия газа, представляющее собой расположенный внутри нижней части резервуара поршень, установленный на штоке, размещенном в резервуаре с возможностью вращения вокруг своей оси и относительно поршня и перемещения вдоль оси резервуара,
датчик перемещения, расположенный в верхней части резервуара и регистрирующий положение поршня при его поступательном движении вдоль оси резервуара, по которому судят об изменении объема газа,
датчик давления, служащий для регистрации изменения давления исследуемого газа при его сжатии и подсоединенный к штуцеру нижней части резервуара посредством вакуумного шланга,
при этом датчик перемещения выполнен в виде расположенной внутри цилиндрического резервуара катушки индуктивности, сердечник которой образован набором ферритовых колец и расположен на упомянутом штоке.

9. Установка по п.8, характеризующаяся тем, что нижняя часть цилиндрического резервуара выполнена из полупрозрачного пластика.

10. Установка по п.8, характеризующаяся тем, что держатель резервуара включает штатив и расположенные один под другим захват с дугообразными лапками и кольцевой захват, охватывающие снаружи цилиндрический резервуар и закрепленные на штативе с возможностью изменения их положения по высоте штатива.

11. Установка по п.8, характеризующаяся тем, что поршень соединен со штоком посредством радиального подшипника, обеспечивающего возможность вращения штока относительно поршня.

12. Установка по п.8, характеризующаяся тем, что поршень имеет на своей наружной поверхности уплотнительный элемент.