Potek dela
Preden začnete brati potek vaje, vedite, da je bil napisan z namenom predstavitve našega dela in naših težav, ki smo jih imeli pri nalogi. V njem ne boste našli prav veliko teorije. Zatorej svetujem tistim, ki vas zanimajo bolj ali manj gola dejstva, da ta del preskočite in se raje posvetite teoretičnemu delu in zaključku.
Tako kot pri večini stvari v življenju je bil tudi tukaj začetek najtežji. Ker nam pogovor nikakor ni stekel, je besedo prevzel vodja vaje in nam obširneje razložil kaj so imeli v mislih, )
ko so snovali zastavljeno nalogo. Na ta način nam je dal natančnejša navodila, ki so nam olajšala razmišljanje in so že pred samim začetkom razblinila določene nemogoče izvedbe, ki jih je najbrž imel vsak izmed nas v mislih. Bistven podatek je bil predvsem ta, da naše metode preverjanja praznine ne smejo biti destruktivne – to pomeni, da mora biti poskus izvedljiv med nemotenim obratovanjem naprave. Kot je bilo napisano že v uvodu, je bil poskus z zvokom edini »konkurenčni« predlog gretju bakrene cevke, ki pa ni ugledal realizacije.
Prvi dan smo v celoti namenili zasnovi prototipa detektorja, v drugem terminu pa smo večino časa izvajali uvodne poskuse, ki so bili nujno potrebni, da smo se prepričali ali je to res tista ideja, ki nas bo pripeljala do nekega zaključka. Seveda pa vse ni šlo brez težav, ki so na trenutke v nas vzbujale dvom v končen uspeh.
Da boste lažje razumeli, kako smo izvedli nekatere poskuse, sledi opis prototipa našega detektorja, ki smo ga v celoti zasnovali prvi dan. Sestavlja ga enostavna bakrena cevka dolžine 30cm, zunanjega premera 6mm ter notranjega 3,6mm. Po notranjosti cevke se pretaka hladilna tekočina, v našem primeru navadna voda iz pipe.
)
Da smo lahko realizirali razliko v temperaturi, je bilo treba hladilno tekočino segreti. Zato smo nekje na sredini cevi ovili 10 ovojev konstantanove žice, ki nam je priključena na izvor napetosti služila kot grelec. Na vsaki strani smo na približno enaki oddaljenosti od grelca prilotali konstantanovo žico in tako dobili dva termočlena. Le-ta smo preko ojačevalca priključili na osciloskop, kjer smo odčitali napetost, ki je nastala med tema spojema. Naša termočlena sta torej sestavljali kovini konstantan (žica) in baker (cevka).
)
(več o delovanju termočlena lahko preberete med teorijo) Da bi zunanji dejavniki kar najmanj vplivali na meritev, smo morali naš detektor čimbolje toplotno izolirati. Celo cevko smo zato obdali s stiroporom, ki je bil za naše razmere najlažje dostopen toplotni izolator. Ker sta bili konstantanovi žici povezani z daljšimi žicami do ojačevalca, smo na ta način dobili dva nova spoja, ki sta prav tako delovala kot termočlena. Da bi imeli čimmanj popačenja, smo ta spoja izolirali v isto klado stiropora, s tem zagotovili enako temperaturo in nobenega popačenja. Da bi pa lahko opazovali razliko temperatur med spojema tudi takrat, ko se voda v cevki ni pretakala, smo na enem robu cevke dodali še en grelec iz 10 ovojev konstantanove žice, ki smo ga po potrebi uporabljali ali pa ne.
)
Slika 1: Skica bakrene cevke, dveh grelnikov in termočlenov
Verjetno se večina izmed vas sprašuje, zakaj sploh potrebujemo dva grelca na našem prototipu. Samoumevno je, da smo pri poskusih, pri katerih se je voda pretakala po cevki uporabili samo en grelec in sicer tistega, ki je med obema spojema termočlena. Voda je "odnašala" toploto proti enemu spoju, ki se je zato bolj segrel od drugega. Tako smo lahko izmerili razliko temperatur med spojema preko napetosti v termočlenu. Ko pa se voda po cevki ni pretakala, sta se kraka, ki sta enako oddaljena od grelca, segrevala hkrati in temperaturna razlika je bila minimalna (zaradi nesimetričnosti modela) . Zato smo dodali še drugi grelec, tako da je bil en spoj termočlena med dvema grelcema. Ta se je segreval hitreje kot drugi, ki je imel grelec samo na eni strani. Tako smo spet lahko izmerili temperaturno razliko preko napetosti.
Skozi cel potek poskusa nam je rahle probleme povzročala preobčutljivst termočlena, ki naj bi po nekaterih ocenah zaznal temperaturno razliko okoli desetinke ali celo stotinke kelvina. Tako je osciloskop kazal neko napetost, še preden smo začeli cevko, po kateri se je pretakala voda, sploh segrevati. Občutljivost je bila nasploh težava vseh merilnih instrumentov, saj je že zadrževanje v bližini prototipa (predvsem termočlena) povzročalo določene spremembe, ki jih nismo bili ravno veseli. Tako je bila naša primarna naloga ugotoviti, v kolikšni meri bodo motnje iz okolice vplivale na rezultate. Naša olajševalna okoliščina je bila, da je naloga »detektorja praznine« samo to, da pri meritvi jasno pokaže enega od treh možnih rezultatov – ali je cevka prazna ali tekočina v cevki miruje ali pa se pretaka. Seveda pa je zelo pomembno, s kakšno gotovostjo lahko napovemo katerega izmed teh treh možnih stanj.
Najprej smo se odločili raziskati, kako se spremeni temperatura, če med pretakanjem zamenjamo vedri z vodo. Pri tem smo prvo vedro dvignili, drugega pa spustili, da se je smer pretoka obrnila. Na ta način smo želeli preveriti, da je bila že prej omenjena napetost na osciloskopu posledica nesimetrično razporejenih krakov termočlena od grelca. Če bi ob menjavi veder osciloskop pokazal ravno nasprotno vrednost prejšnje, bi to pomenilo, da smo na dobri poti. Vendar za to ne zadostuje samo uspešna prva menjava, ampak smo morali pokazati, da je stvar ponovljiva pri njih poljubnem številu, kar nam je tudi uspelo. Temu so sledili prvi poskusi z gretjem. Predpostavljali smo, da moramo dobiti dve različni krivulji temperaturne razlike (merjene posredno preko napetosti) v odvisnosti od časa, če z obema grelnikoma grejemo prazno cev, oziroma če je cev napolnjena z vodo. Dobljene rezultate prikazuje spodnji graf.
)
Graf 1: segrevanje prazne in polne cevi
Razlog za razliko gre pripisati predvsem dejstvu, da ima voda precej veliko toplotno kapaciteto. Bakru, ki je zelo dober toplotni prevodnik "vzame" precej njegove toplote in jo bolj enakomerno porazdeli vzdolž cevi. Posledično je zato temperaturna razlika v odvisnosti od časa manjša.
)
Te meritve so bile namenjene preizkušanju tega, če je ideja sploh obetavna. Iz njih smo lahko sklepali le na to, da so razlike v temperaturi dejansko merljive in da lahko ostale vplive iz okolice zanemarimo. Natančnih rezultatov iz meritev nismo mogli izluščiti, saj je bila napaka pri meritvah relativno velika (samo za primerjavo: tok skozi grelec smo lahko ocenili kvečjemu na 20% natančno).
Pred koncem drugega termina nam je uspelo pripraviti vse potrebne izboljšave; v tokokrog smo vezali ampermeter z zanemarljivo napako 0,1% in našli osciloskop, ki ima povezavo z računalnikom. Zdaj rezultatov nismo več rabili zapisovati ročno, ker je to nalogo prevzel računalnik. Pokazali smo tudi, da napaka pri merjenju toka ne vpliva na obliko krivulj pri zgornjem grafu. Dobljeni rezultati so prikazani spodaj.
)
Graf 2: segrevanje prazne cevi
)
Graf 3: segrevanje vode v cevi
Tudi to se je skladalo z našimi pričakovanji, tako da so nam za zadnji dan ostale le še meritve, ki so bile namenjene predvsem za teoretično obdelavo.
Da nam ni šlo vse po načrtih, vsekakor dokazujejo naše težave zadnjega dne. Vsi smo upali, da bomo stvar opravili kar se da hitro ter odšli čimprej domov,)
saj smo bili že precej utrujeni. Laboratorijski škrat pa nam tega ni dovolil. Sprva smo imeli težave s kontakti, ki so v času enega tedna že malce oksidirali in so zato slabo prevajali električni tok. Nato nam je malce ponagajal osciloskop, ki nam ni pokazal nobene spremembe niti takrat, ko smo skozi grelec pošiljali tako velik tok, da se je izolacija že dobesedno smodila. Ugotovili smo, da se je nekje pretrgala ena izmed žičk. Ko pa smo že mislili, da smo odpravili vse probleme, se je pojavila težava, ki je nismo pričakovali.
Ko smo med pretakanjem vode po cevki vključili grelec, se je napetost med spojema termočlena spremenila le minimalno. Dolgo smo ugotavljali, zakaj meritve niso tako jasne, kot so bile drugi dan, na koncu pa smo vendarle ugotovili, da je naša meritev močno odvisna od pretoka skozi cevko. Ker je voda mimo grelca po cevki tekla prehitro, se ni uspela dovolj segreti, da bi bila razlika med temperaturama očitna. Vsekakor smo se strinjali, da bi nam zagotavljanje stalnega pretoka in raziskovanje tega problema naložilo še ogromno dela, predvsem pa vzelo veliko časa. Zato smo pretok po občutku zmanjšali do te mere, da smo lahko izvedli zadovoljivo meritev, podrobne raziskave v tej smeri pa prepuščamo naslednji generaciji študentov.