ZONNEPANEEL TACHOMETER: 5 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

In de INSTRUCTIEBARE "Solar Panel as a Shadow Tracker" werd een experimentele methode gepresenteerd om de snelheid van een object te bepalen aan de hand van de projectie van zijn schaduw op een zonnepaneel. Is het mogelijk om een variant van deze methode toe te passen om roterende objecten te bestuderen? Ja, het is mogelijk. Vervolgens wordt een eenvoudig experimenteel apparaat gepresenteerd dat het mogelijk maakt om de periode en frequentie van rotatie van een object te meten. Dit experimentele apparaat kan worden gebruikt tijdens de studie van het onderwerp "Natuurkunde: Klassieke Mechanica", in het bijzonder tijdens de studie van het onderwerp "Rotatie van starre objecten". Het is mogelijk nuttig voor niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten, tijdens experimentele demonstraties of laboratoriumlessen.

Stap 1: enkele theoretische opmerkingen

Wanneer een vast object rond een as roteert, beschrijven zijn delen omtrekken concentrisch met die as. De tijd die een van deze partijen nodig heeft om de omtrek te voltooien, wordt de rotatieperiode genoemd. Periode en frequentie zijn wederkerige grootheden. In het Internationale Stelsel van Eenheden wordt de periode weergegeven in seconden (s) en de frequentie in Hertz (Hz). Sommige instrumenten om de rotatiefrequentie te meten, geven de waarden in omwentelingen per minuut (rpm). Om van Hz naar rpm te converteren, vermenigvuldigt u eenvoudig de waarde met 60 en u krijgt het rpm.

Stap 2: Materialen en instrumenten

• Klein zonnepaneel (100mm * 28mm)

• LED zaklamp

• Reflecterende plakband

• Zwarte elektrische tape

• Elektrische kabel

• Kabelbinders

• Heet siliconenpistool

• Soldeerbout en tin

• Drie stukken hout (45mm * 20mm * 10mm)

• Digitale oscilloscoop met zijn sonde

• Roterend object waaraan u de rotatiefrequentie wilt meten

Stap 3: Werkingsprincipe

Wanneer licht op een object valt, wordt een deel geabsorbeerd en een ander deel gereflecteerd. Afhankelijk van de eigenschappen van het oppervlak en de kleur van het object kan dat gereflecteerde licht meer of minder intens zijn. Als de eigenschappen van een deel van het oppervlak willekeurig worden gewijzigd, laten we zeggen door het te schilderen of door het op een zilveren of zwarte plakband te plakken, kunnen we opzettelijk een verandering veroorzaken in de intensiteit van het licht dat in dat gebied wordt gereflecteerd. Hier zouden we geen "SHADOW TRACKING" doen, maar we zouden een verandering veroorzaken in de kenmerken van de gereflecteerde verlichting. Als een object tijdens het draaien wordt verlicht door een lichtbron en een zonnepaneel goed is geplaatst, zodat een deel van het gereflecteerde licht erop valt, moet er een spanning op de klemmen verschijnen. Deze spanning heeft een directe relatie met de lichtintensiteit die ze ontvangt. Als we het oppervlak veranderen, verandert de intensiteit van het gereflecteerde licht en daarmee de spanning van het paneel. Dit paneel zou kunnen worden aangesloten op een oscilloscoop en variaties in spanning in de tijd kunnen identificeren. Als we een coherente en repetitieve verandering in de curve kunnen identificeren, door de tijd te meten die nodig is om zichzelf te herhalen, zouden we de rotatieperiode en daarmee de rotatiefrequentie indirect bepalen als we het berekenen. Sommige oscilloscopen zijn in staat om deze waarden automatisch te berekenen, maar vanuit het oogpunt van onderwijs is het productief voor studenten om deze waarden te berekenen. Om deze experimentele activiteit te vereenvoudigen, zouden we in eerste instantie objecten kunnen gebruiken die roteren met een constant toerental en bij voorkeur symmetrisch ten opzichte van de rotatie-as.

Samenvatten:

1. Een object dat continu ronddraait, reflecteert het licht dat erop valt.

2. De intensiteit van het licht dat door het roterende object wordt gereflecteerd, hangt af van de kleur en de kenmerken van het oppervlak.

3. De spanning die op het zonnepaneel verschijnt is afhankelijk van de intensiteit van het gereflecteerde licht.

4. Als de eigenschappen van een deel van het oppervlak opzettelijk worden gewijzigd, verandert ook de lichtsterkte van het licht dat in dat deel wordt gereflecteerd en daarmee de spanning in het zonnepaneel.

5. De periode van het object tijdens rotatie kan worden bepaald door met behulp van een oscilloscoop de tijd te meten die is verstreken tussen twee punten met identieke waarden van spanning en gedrag.

Stap 4: Ontwerp, constructie en uitvoering van het experiment

1. Soldeer twee elektrische geleiders aan het zonnepaneel. 2. Bedek de elektrische contacten op het paneel met hete siliconen om kortsluiting te voorkomen.

3. Bouw de houten steun door de drie stukken hout samen te voegen met hete siliconen of een andere lijm, zoals te zien is in de afbeelding.

4. Plak het zonnepaneel op de houten steun met hete siliconen zoals op de afbeelding.

5. Plak de lantaarn op de houten steun zoals op de afbeelding en zet hem vast met plastic banden.

6. Bevestig de elektrische geleiders van het paneel met een andere flens aan de houten steun.

7. Plak op het object dat je wilt bestuderen een band van zwarte tape en vervolgens een zilveren band zoals te zien is in de afbeelding.

8. Start de rotatie van het object dat u wilt bestuderen.

9. Sluit de oscilloscoop-sonde correct aan op de geleiders van het zonnepaneel.

10. Stel uw oscilloscoop correct in. In mijn geval waren de spanningsverdelingen 500mv en de tijdverdelingen 25ms (dit hangt af van de rotatiesnelheid van het object).

11. Plaats het experimentele apparaat dat je zojuist hebt geassembleerd in een positie waar de lichtstralen worden gereflecteerd op het oppervlak dat draait en het zonnepaneel raakt (help jezelf van wat je in de oscilloscoop ziet om een curve te krijgen met meer uitgesproken veranderingen).

12. Houd het experimentele apparaat enkele seconden in de juiste positie om te zien of de resultaten van de curve constant blijven.

13. Stop de oscilloscoop en analyseer de curve om te bepalen welke posities overeenkomen met de zwarte tape en welke met de zilveren tape. In mijn geval, aangezien de elektromotor die ik bestudeerde goudkleurig was, werden de veranderingen veroorzaakt door de tape meer merkbaar.

14. Meet met behulp van de oscilloscoopcursors de verstreken tijd tussen de punten met fasegelijkheid, eerst voor de band en vervolgens voor het zilveren lint en vergelijk ze (ze moeten hetzelfde zijn).

15. Als uw oscilloscoop niet automatisch de inverse van de periode (frequentie) berekent, doe dat dan. Je kunt de vorige waarde vermenigvuldigen met 60 en zo het toerental krijgen.

16. Als je de waarde kv of omwentelingen per volt hebt (in het geval dat het een motor is die deze eigenschappen biedt), vermenigvuldig dan de waarde kv met de ingangsspanning, vergelijk het resultaat met het resultaat dat je hebt verkregen tijdens het experiment en kom tot conclusies.

Stap 5: Enkele laatste opmerkingen en aanbevelingen

• Het is handig om eerst de kalibratiestatus van uw oscilloscoop te controleren om betrouwbare resultaten te verkrijgen (gebruik het kalibratiesignaal dat door de oscilloscoop wordt aangeboden, dat over het algemeen 1 kHz is).
• Stel uw oscilloscoop-sonde correct af. U zou rechthoekige pulsen niet vervormd moeten zien als u het signaal gebruikt dat door de oscilloscoop zelf wordt gegenereerd (zie afbeelding).
• Onderzoek de elektrische responstijd bij de fabrikant van uw zonnepaneel (datasheet). In mijn geval was het veel lager dan de rotatieperiode van de elektromotor die ik bestudeerde, dus ik hield geen rekening met de invloed ervan op de metingen die ik deed.
• Vergelijk de resultaten die met deze methode zijn verkregen met die van een commercieel instrument en overweeg de voor- en nadelen van beide.

Zoals altijd zal ik aandacht besteden aan uw suggesties, opmerkingen en vragen. Veel succes en blijf op de hoogte van mijn aankomende projecten!

Tweede plaats in de klassikale wetenschapswedstrijd