TERMOCRONO Un semplice sistema economico e flessibile per misure di temperatura in tempo reale M. Gervasio, M. Michelini, Dipartimento di Fisica, Università di Udine Via delle Scienze 208, 33100 Udine
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Sommario
Termocrono è un sistema di misura basato su sensori in linea con l’elaboratore per effettuare quattro misure contemporanee di temperatura in tempo reale. Il sistema comprende l’elettronica di condizionamento del segnale e di conversione analogico digitale. La connessione all’elaboratore avviene tramite la porta USB. Esso rappresenta una soluzione moderna, semplice, flessibile ed economica del sistema Termografo, ampiamente impiegato nella didattica della fisica ed ora non più utilizzabile nei moderni elaboratori, perché l’acquisizione e la conversione dati è effettuata tramite la scheda Giochi. 1. Introduzione Le Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (TIC) hanno avuto un così rapido sviluppo e l’elaboratore una così ampia diffusione da produrne familiarità a livello sociale. Sensori e microprocessori sono entrati a far parte dei dispositivi più comuni, domestici ed automobilistici (sveglie, registratori, macchine fotografiche, …, forni, lavatrici, sistemi di riscaldamento e controllo, …). È diventata esperienza comune farne uso e programmarli. Sono stati quindi oggetto di un’ampia proposta anche nella didattica, soprattutto nell’ambito delle materie scientifiche, e della fisica in particolare [August et al, 1986; Cavaggioni et al, 1990; Michelini, 1992; Balzano e Sassi, 1994; Thornton, 1997; Martongelli et al, 2001; Fazio et al, 2003; Michelini e Santi, 2004 ], il cui lavoro sperimentale è oggi prevalentemente condotto con sistemi di acquisizione dati basati su misure gestite da elaboratori. Le caratteristiche dell’attività sperimentale di ricerca possono così entrare a far parte dell’attività formativa scolastica, portando un contributo significativo all’innovazione didattica ed offrendo nuovi obiettivi di apprendimento. Nell’ambito del progetto SeT del MIUR è stato anche varato un progetto pilota (LabTec) di diffusione del laboratorio on-line nella didattica della fisica italiana [Marucci et al, 2001]. Gli esperimenti didattici possono oggi assumere il carattere esplorativo, invece che semplicemente esemplificativo, come è prevalentemente stato finora. Possono essere personalizzati dallo studente, che può diventare protagonista della pianificazione e non solo della esecuzione dell’attività. Il personale coinvolgimento 1
del soggetto nell’oggetto di studio ed il suo ruolo attivo, necessari per l’apprendimento, diventano immediatamente realizzabili. L’alta velocità di acquisizione dei dati e la relativa programmazione, associata all’utilizzo di sensori per misure in luoghi particolari, anche remoti, permettono di raccogliere in poco tempo un numero significativo di misure per studiare processi a diverso livello di dettaglio. Si possono studiare anche fenomeni non comunemente trattati sui testi scolastici, cambiando ruolo ed esiti dell’attività didattica. Al sapere di tipo conoscitivo si aggiunge quello procedurale ed il sapere per risolvere problemi in cui le discipline giocano il ruolo di mappe per orientarsi nell’affrontare situazioni nuove. Un’ampia letteratura di ricerca in didattica della fisica ha evidenziato nell’ultimo decennio queste nuove potenzialità, stimolando la produzione di sistemi di acquisizione dati basati su sensori collegati con l’elaboratore sempre più flessibili, semplici e familiari [Michelini e Pugliese 1999; Pintò e Surrinach, 2001; Michelini e Cobal, 2002; Michelini e Pighin, 2005] . Le misure possono oggi essere acquisite lontano dall’elaboratore, con schede intelligenti, che immagazzinano i dati e permettono l’acquisizione con sensori di diverso tipo (temperatura, pressione, intensità luminosa, distanza, …). Il software di gestione dei sistemi è diventato sempre più ricco di funzioni e nello stesso tempo comodo da usare. In particolare è stata potenziata la visualizzazione dei dati in tempo reale, che la ricerca ha dimostrato essere un potente mezzo per la riduzione immaginativa del fenomeno osservato con la sua descrizione fisica. I prezzi si sono ridotti ad un quinto in dieci anni, ma non sono ancora tali da poter considerare questa potenzialità come accessibile a tutte le scuole. Per questo motivo lo strumento Termografo di acquisizione dati di quattro temperature con la scheda giochi, prodotto nell’ambito di progetti di ricerca [Mazzera et al, 1990; 1996], è ancora un importante opportunità per la scuola: il costo di riproduzione dell’hardware è inferiore a 100,00 €. I nuovi sistemi operativi ed i nuovi elaboratori non sono più compatibili con la scheda giochi e si è posto il problema di realizzare un nuovo sistema altrettanto economico, con le stesse potenzialità e la stessa semplicità di impiego, che lo ha reso utilizzabile dalla scuola dell’infanzia al biennio di ingegneria. Diversi tentativi effettuati negli ultimi anni non hanno dato risultati soddisfacenti. In questo lavoro si descrive il sistema Termocrono, collaudato con successo e che, oltre a realizzare gli obiettivi illustrati, ha sensibilità competitiva con quella di sistemi commerciali. Esso implementa alcune potenzialità non comunemente disponibili, come la rappresentazione contemporanea in tempo reale delle quattro misure di temperatura per seguire processi termodinamici altrimenti non esaminabili, come la conduzione del calore in una sbarra sottoposta ad un gradino termico ad un estremo. 2. Il sistema Termocrono Il sistema è costituito da una parte hardware e da un software di gestione. La parte hardware comprende un circuito di acquisizione dati e conversione analogico-digitale. La misura della temperatura si basa sulla misura la corrente inversa di saturazione di diodi al germanio polarizzati inversamente. La conversione è di tipo corrente – tempo per poter sfruttare la precisione dell’oscillatore al quarzo dell’elaboratore ai fini della misura. Con la stessa alimentazione dell’elaboratore si carica attraverso ciascun diodo un condensatore, ai capi del quale viene inserito un comparatore di tensione con valori minimo e massimo di intervento preimpostati. Un multivibratore monostabile genera un’onda quadra, che inizia in corrispondenza del 2
valore minimo rilevato dal comparatore di tensione e termina in corrispondenza del valore massimo rilevato. La durata dell’onda quadra generata dipende quindi dal tempo (t) di carica di ciascun condensatore, che a sua volta dipende dalla resistenza dinamica R del diodo (t=RC). Quest’ultima dipende dalla temperatura nei diodi al germanio, in cui la corrente inversa di saturazione è una costante fortemente dipendente con la temperatura. Si misura la durata dell’onda quadra utilizzando un oscillatore al quarzo da 16 MHz. Con la frequenza di conteggio impostata dall’oscillatore si rileva il numero di impulsi generati all’interno del periodo di attivazione dell’onda quadra, facendo così dipendere la misura della temperatura dal numero di impulsi generati. Il contatore di impulsi utilizzato è un contatore a 32 bit, dove è stato impostato un valore di time-out in corrispondenza del 22° bit (4.194.303 conteggi), al di sopra del quale si suppone un malfunzionamento del sensore. Per leggere contemporaneamente quattro conteggi, relativi ai quattro sensori indipendenti, si è utilizzata una scheda di interfaccia implementata con un microcontrollore PIC 18F252 della Microchip Technology opportunamente programmato per le specifiche di progetto richieste. I conteggi vengono inviati al computer attraverso un collegamento USB, realizzato con l’utilizzo del modulo di decodifica FT245BM. La Fig.1 mostra il circuito complessivo, che è contenuto in una scatolina di cm 9 x cm 4 x cm 1,5. Ad essa si collegano con un unico connettore quattro cavi bipolari di 2 m a cui sono collegati i diodi-sensori di temperatura, che possno essere collocati indipendentemente in diversi luoghi ed essere utilizzati indipendentemente o insieme. La Fig.2 mostra l’interfaccia utente del software di gestione del sistema: è possibile visualizzare contemporaneamente il grafico ed i valori numerici dei dati di uno o di tutti i sensori. La scala grafica può essere ad ottimizzazione dinamica o fissata.
Fig. 1. Circuito di acquisizione dei segnali e di conversione analogico-digitale dei dati acquisiti da Termocrono.
Fig. 2. Interfaccia utente del software di gestione del sistema Termocrono.
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Il sistema prevede una specifica funzione di taratura da realizzare per confronto con un altro termometro in un minimo di due ed un massimo di 15 stati termici di equilibrio. I valori di temperatura delle misure sono determinati dal sistema mediante un fitting tra i punti di taratura, utilizzando la funzione di trasferimento del sistema. L’intervallo di misura della temperatura (portata) di Termocrono è da -10°C a +100 °C con una sensibilità di 0,1 °C e con una precisione di misura di ±0,3 °C. Ogni gruppo di sonde richiede la taratura prima dell’impiego. La taratura effettuata è stabile per lo stesso gruppo hardware, a differenza di quanto accadeva per il sistema Termografo, che doveva essere periodicamente tarato. La funzione “Real Time Plot” del programma di gestione attiva immediatamente la misura, se è stata caricata la tabella di taratura. I dati vengono acquisiti con cadenza di misura di un secondo e nel tempo danno luogo ad un grafico delle temperature che evolve sullo schermo in tempo reale. La scala delle temperature, nel grafico, può essere impostata manualmente da un valore minimo ad un valore massimo, o in modo automatico per ottimizzare le scale grafiche. I grafici e le tabelle possono essere memorizzati in un archivio predisposto e richiamati in qualsiasi momento per il riesame delle misure effettuate e/o per la loro stampa su carta. Il formato di registrazione della tabella dei dati è direttamente compatibile con un qualunque foglio elettronico. Il sistema può essere utilizzato su qualunque macchina attraverso la porta USB. 3. Esempi di misure Il sistema Termocrono si propone come estensione dei sensi per esplorazioni sperimentali a bassi livelli scolari, grazie alla sua semplicità e flessibilità [Michelini e Stefanel, 2004; Michelini e Pighin, 2005]. Per la sensibilità, l’affidabilità e le veloci misure multiple permette lo studio sperimentale di stati e trasformazioni termodinamiche. Esso si presta pertanto anche allo studio di transitori, come impulsi ed onde termiche, difficilmente possibili con altri sistemi nei laboratori didattici [Mazzera et al, 1996]. Riportiamo di seguito tre esempi di misure ottenute con il sistema. Equilibrio termico di masse d'acqua diverse 55,0 50,0
T e m p e r a t u r a (°C) °C
45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
tempo ( s )
Fig.3 – Evoluzione temporale della temperatura di due masse d’acqua di 300g e 150g alla temperatura di 10,2°C e 49,8°C.
In Fig. 3 è riportata l’evoluzione temporale della temperatura di due masse d’acqua di 300 g di acqua a 10,2°C e di 150 g alla temperatura di 49,8 °C. L’interazione è ottenuta inserendo il contenitore di alluminio della massa di acqua calda (150 g) nell’acqua più fredda (300g). I due sistemi si portano ad una comune 4
temperatura di equilibrio, che è descritta dalla media pesata sulle masse della temperatura di ciascun sistema (legge di Fourier dell’equilibrio termico). La temperatura di equilibrio ottenuta è 24,1°C e permette di determinare la massa di 11,9 g come equivalente in acqua del contenitore, assumendo che il calore ceduto dalla massa d’acqua più calda venga tutto assorbito dalla massa più fredda e dal contenitore. <<< T e r m o c r o n o >>>
66,0
T e m p e r a t u ra (°C)
56,0
46,0
36,0
26,0
16,0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
tempo ( s )
Fig. 4 – Evoluzione temporale della temperatura di 4 sensori di diversa massa posti in un termostato dall’ambiente.
In Fig. 4 sono mostrati i dati ottenuti quando i quattro sensori ricoperti di masse diverse di alluminio (0, 2, 4 e 10g rispettivamente) vengono posti contemporaneamente in un ambiente isotermo (una grande massa d’acqua più calda). La dipendenza del tempo di raggiungimento dell’equilibrio termico dalla massa di allumino che avvolge ciascun sensore permette di capire ad un primo livello il significato di tempo di risposta di un sistema e di calcolarne il valore ad un livello più formalizzato. L’esperienza si presta anche allo studio della legge esponenziale di raggiungimento dell’equilibrio. Trasmissione del calore in una sbarra di alluminio 65,0 60,0 55,0
Temperature °C
50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 -50
50
150
250
350
450
550
650
750
850
950
1050
Time (s)
Fig. 5 – Conduzione del calore in una sbarra. Evoluzione temporale della temperatura di 4 sensori posti a 4 cm di distanza relativa in una sbarra di alluminio riscaldata ad un estremo.
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In Fig. 5 sono riportati i dati della fase transitoria e di quella di equilibrio di una sbarra di alluminio sottoposta ad un gradino termico ad un estremo. I sensori sono posti a 4 cm l’uno dall’altro a cominciare dall’estremo riscaldato. L’esperimento consente di studiare il fenomeno della conduzione del calore e calcolare il coefficiente di conduttività termometrica dell’alluminio [Mazzera et al, 1996]. Applicando allo stesso estremo un impulso invece che un gradino temico si possono studiare le onde termiche [Michelini e Pugliese, 2005].
4. Riferimenti bibliografici August, C., Addinall, E., Sweet, M. A. S., the introduction of microcomputer into a student laboratori corse, in Communicating Physics, ICPE Proceeding, 1986, pp.184190 Balzano, E., Sassi, E., L’elaboratore nella didattica della fisica, La Fisica nella Scuola, XXVII, 4, 1994, 126-129 Cavaggioni, G., Michelini, M., Pugliese Jona, S., L’elaboratore nella didattica della fisica. La Fisica nella Scuola, speciale, XXIII, 2, 1990 Fazio, C., Lombardi, S., Tarantino, G., Testa, I., Sassi, E., Sperandeo, R., M., Formazione insegnanti: un esempio di interventi con l’uso delle ICT, in Andronico A., Dettori G., Ferlino L., Olimpo G. (eds), Atti del Convegno Didamatica, 2003, pp.392-399 Martongelli M, Michelini M, Santi L, Stefanel A, Educational Proposals using New Technologies and Telematic Net for Physics, in in Pinto R., Surinach S. (eds.), Physics Teacher Education Beyond 2000 (Phyteb2000), Girep book of Selected contributions, Elsevier, 2001, pp. 615-620 Marucci, G., Michelini, M., Santi, L., The Italian Pilot Project LabTec of the Ministry of Education, in in Pinto R., Surinach S. (eds.), Physics Teacher Education Beyond 2000 (Phyteb2000), Girep book of Selected contributions, Elsevier, 2001, pp.607-612 Mazzega, E., Michelini, M., On-line measurements of thermal conduction in solids: an experiments for high school and undergraduate students, in Michelini M., Pugliese Jona S., Cobai D. (eds) Teaching the Science of Condensed Matter and New Materials, selected papers GIREP-ICPE Book, Forum, 1996, pp. 223-227 Mazzega, E., Michelini, M., Termografo: a computer on-line acquisition system for physics education, in Michelini M., Pugliese Jona S., Cobai D. (eds) Teaching the Science of Condensed Matter and New Materials, selected papers GIREP-ICPE Book, Forum, 1996, pp. 239-245 Mazzega, E., Michelini, M., Termografo: un sistema per misure di temperatura online nel laboratorio didattico. La Fisica nella Scuola, XXIII, 4, 1990, 38-45 Michelini M, ed., 2004, Quality Development in the Teacher Education and Training, Girep book of selected papers, Forum, Udine, 2004 [ISBN: 88-8420-225-6] 6
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