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[项目分享] 【BOSON】冰雪融化实验及BOSON防水温度传感器试用(下)

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1.jpg

继续进行冰雪融化实验。
经过前面两个实验,对冰雪融化的一些知识进行了学习与梳理。
和我以前的帖子风格一样,散乱而随意,引用了一些学科知识,如有错误,欢迎指出。

今天再重复一次冰雪融化实验,目的已经比较单纯。
就是为了试用BOSON防水温度传感器和DS18B20 防水温度传感器。

实验目的:
用micro:bit试用BOSON防水温度传感器
(用Arduino试用DS18B20 防水温度传感器)
重复冰雪融化实验,选择合适器材,为后面水的沸腾实验做基础。


器材准备:(下面加*为备用)
micro:bit                           1
BOSON 扩展板                  1
*ARDUINO  UNO               1
*ARDUINO  IO扩展板         1
BOSON 防水温度传感器    1*DS18B20 防水温度传感器  1
供电模块                            2
铁架台                               1
温度计                               1
250ml烧杯及雪冰水混合物       1
记录本                                 1
水槽                                    1
电脑                                    1

编程平台:
MIND+

【参考资料】感谢DF工程师技术支持
玩转BOSON防水温度传感器http://makelog.dfrobot.com.cn/project/article?aid=991
防水温度传感器

      

防水温度传感器是一款防水的温度传感器,在测量远处温度和环境比较潮湿的情况下,该传感器能发挥极大的作用,适用于电冰箱等冷冻、冷藏环境中的温度检测、室内和机电设备温度检测、土壤温度检测、热水箱温度控制等场景中。


原理介绍      
该传感器的探头采用热敏温度传感器套头,由导热性高的密封胶灌封而成,保证了传感器的高灵敏性和极小的温度延迟,芯片本身每个引脚均用热缩管隔开,防止短路;使用优质不锈钢管封装,实现防水、防潮、防生锈的功能。


boson免编程用法:          
在BOSON中我们可以按照下图所示的连接方式使用防水温度传感器;通电后连续按下图中显示屏上的按钮,切到“i19”,温度传感器模式。然后将防水温度传感器的探头放入待测量的物体中,则测量物体的温度值可以通过显示屏模块直接读取。防水温度传感器的感温范围在-55℃~+125℃之间,温度显示范围为-10°C~+85°C(误差±0.5°C)。








        需要注意的是:虽然该产品能够在125°C下正常工作,但由于缆线是由聚氯乙烯(PVC)材料制成的,没有传感器耐热,因此我们建议不要将其放在温度高于100°C的地方。


microbit编程用法:       下面来学习在Mind+中micro:bit控制防水温度传感器的使用方法。

首先将防水温度传感器和Micro:bit及BOSON扩展板如下图所示连接起来。





前面我们了解到,防水温度传感器是采用热敏温度传感器探头,因此Micro:bit读取到的值需要经过一系列公式换算,才能得到温度值。

代码如下:





代码中,主程序读取温度传感器引脚值,通过换算函数“Temperature”将引脚模拟值换算为温度值,并通过串口显示出来。
同时可以根据转换函数得到的"TEMP"温度值用以实际应用,比如显示在Micro:bit点阵屏上。主程序改动如下图所示:





将代码通过USB上传到Micro:bit中,将探头伸入水中,通过串口就可以读取到水的温度值。


下图以DS18B20温度传感器作为标准参考,对比观察防水温度传感器测量的温度值,可以看出误差很小。





arduino uno编程用法:换一个主控板,比如UNO板,也是可以控制防水温度传感器的,只需将程序稍作修改。因为UNO的工作电压为5v,将程序中“Vref”的值改为5,就可以使用了。
代码如下图所示:





通过阅读上面的资料,我发现要用掌控板测得数据转化为温度,需要工程师的支持(原因是我对这个防水温度传感器的原理及在python下的数据不清楚。)

实验目标:
使用micro:bit+BOSON防水温度传感器测试冰雪融化时的温度。
尝试自动记录数据值并绘制温度变化曲线。
备选方案:
使用arduino + BOSON防水温度传感器测试冰雪融化时的温度。
使用micro:bit + DS18B20 防水温度传感器测试冰雪融化时的温度
使用arduino + DS18B20 防水温度传感器测试冰雪融化时的温度(DS18B20 防水温度传感器已经添加在mind+,可以很方便的使用)。
截图201902200916124133.png
Mind+(基于Scratch3.0)图形化编程
1、下载及安装软件。下载地址:http://www.mindplus.cc 详细教程:Mind+基础wiki教程-软件下载安装
2、切换到“上传模式”。 详细教程:Mind+基础wiki教程-上传模式编程流程
3、“扩展”中选择“主控板”中的“Arduino Uno”,“传感器”中加载“DS18B20温度传感器”。 详细教程:Mind+基础wiki教程-加载扩展库流程
4、进行编程,程序如下图:
5、菜单“连接设备”,“上传到设备”
6、程序上传完毕后,打开串口即可看到数据输出。详细教程:Mind+基础wiki教程-串口打印
截图201902200918283263.png
有了DF工程师的技术支持,上面四种可行的器材方案。

初步计划加热方法(后面为了实验数据更稳定,同时无法保证水浴温度放弃):
为缩短实验时间,计划采用水浴加热,水浴加热时受热均匀,便于观察及数据采集。



【水浴法】 截图201902192115107099.png

        先在一个大容器里加上水,然后把要加热的容器放入加入水的容器中。加热盛水的大容器通过加热大容器里的水再通过水把热量传递(热传递)需要加热的容器里,达到加热的目的。


因为在一标准大气压下且水无任何杂质,水达到沸点的条件是100摄氏度,但是从液态变到气态还需要吸收更高的热量。在水浴法里,烧杯里的水在变成水蒸气前都只能有100摄氏度的温度,无法为试管里的水提供更多的热量,所以试管内的液体是不能沸腾的。所以常常利用这种温度不改变的原理对一些需要定温加热的反应进行水浴加热。

水浴法的优点
优点是使物体受热均匀,减慢熔化过程,便于观察。部分试验中不会导致暴沸的现象。
因为酒精灯的火焰温度高达几百摄氏度,若实验中直接用酒精灯的火给物质加热,则无法记录和观察物质的熔化过程。水浴法则不会。

实验过程:
【一】
经过前面技术准备,对上面所述三种器材方案都进行了组合测试,(当然不同组合所得数据均有误差,最好与以温度计为标准进行标定。)
选定的组合为:
micro:bit+BOSON防水温度传感器 用电脑串口记录数据并进行数据分析
截图201902200935021458.png
通过前面的实验,对冰水混合物 0度,水沸腾时100度,这两个从书上背下来的结论有了科学的认识(其实少了一些约束条件)。
我计划用温度计对防水传感器读数标定一下。
程序
截图201902201032409118.png
取冰水混合物,将传感器和温度计放入冰水混合物中相同位置。
截图201902201035532682.png
截图201902201036139631.png

温度计读数-1
传感器读数为0.2+
截图201902201037354352.png
修改程序-1,再次测试,读数如图
截图201902201038451019.png

((后面测试中有参考温度计0时传感器>0的情况,所以再次修订下,改为-1.5))

【二】失败的一步
水浴加热,从开水瓶中倒热水(75度),如图操作
截图201902201053408608.png
因为室外温度并不很低,冰块比较松散,冰水吸热后迅速融化,上层还有冰,中间温度已升到5度,实验失败。
同时发现所得数据(带T:字符)无法在电子表格中汇总。

【三】修改程序:改用10度左右自来水水浴11:10重新开始(本步后面再次放弃,因为没有外部加热无法保证水浴温度,如果用酒精灯加热,应该有比较好的效果)。
截图201902201118462225.png
实验可能需较长时间,好在有自动串口记录数据。
本实验中,温度计数据只做少量次数记录参考。
截图201902201121215448.png
截图201902201121383310.png

本步实验再次放弃原因:
1、水浴温度无法保证。
2、在测试中改变传感器姿态时出现数据较大幅度改变(传感器灵敏),甚至达到1度,而温度计一直稳定(反应慢)在0度。(准备再次校准传感器)
3、故意同时改变温度计及传感器时,出现了读数双双下降情况,看来不同部位温度果然有差异(前面实验中也有这个发现)。

【四】12:36,再次修改程序。改用自然融化方式。今天多云,室温6。(没有用空调增温)
截图201902201410077473.png
至14:10,一直保持温度计和传感器稳定姿态,温度计读数估值与传感器一直同步(基本)。
截图201902201443484793.png

【实验反思】用传感器在这个实验中的意义是什么?我有点迷惑。

用温度计读数记录描点画图同样可以得到实验结果,我用了这么大力气,得到同样的结论有什么意义呢。
后面想来,意义在于尝试创客教育与学科教育的结合,运用数据自动记录功能进行数据采集,并方便进行数据分析。
如果用这样的方法开展教学活动,松散而要自律,大班课一定是不行的。
如果开展小规模stem教学活动,再增加那些环节来指导学生。
对于习惯传统教学的学生,如何引导学生自觉搜索各种资料尝试解决困难完成最后一个并不高大上项目。
这个实验简单也花了我不少精力,如果是探索未知领域,反复的实验,不断的失败,真正是对一个人耐力和科学精神的考验。

看来我要再学习(例如学习@@狄老师文章,@@我是老风,@@秦健教授课程),再思考,再实践。

室温太低,14:45,决定用电暖器加热(后面发现这种方式不好受热不匀,开空调更好。如果夏天冰箱里冻冰来做,室温就足够好了),融化加速,看来在带领学生活动时,必须要辅助加热(用酒精灯加热水浴法是个不借的选择),或者坚持室温自然融化,合理的实验设计及器材选择相当重要。
【阶段小结】
15:45实验第一阶段结束,冰尚未融完。数据导出了。
截图201902201613421822.png

忽然发现一个没有考虑到的问题。
电脑上只记录了1630条数据,并且变化因素太多,前面数据作废不能用了。(其实前面0.5秒每次也没有必要,改10秒一次试试)。

【五】一路踩坑一路坑。
改10秒记录一次
16:10开始到20:50,少量浮冰存在,液体内部温度已稳定在0度以上(两个计量器读数一致,液面温度应该还低)。最后的数据如下图:
截图201902202056432683.png


【实验小结】
1、纯水的冰水混合物的温度在标准大气压下为0度,通常的冰水混合物并不是纯净物,也不在1标准大气压下,测试温度通常低于0度。
2、冰在融化时吸热溶化成水,在整个过程中温度低于0度,然后0度的水继续吸收热量温度升高。
3、实验中控制变量,用科学的态度,尊重事实,敢于置疑,查找资料,解决问题。
4、学生实验时建议温度采集为10秒(或更多)一次。
5、冰水混合物中不同层次温度也的差异,因为冰密度小在水面,所以水面温度更低。
6、如果要加热,不要急,均匀受热很重要。

液体内温度在热成像仪下,视频了解一下:

【小资料】
凝固点是晶体物质凝固时的温度,不同晶体具有不同的凝固点。在一定压强下,任何晶体的凝固点,与其熔点相同。同一种晶体,凝固点与压强有关。凝固时体积膨胀的晶体,凝固点随压强的增大而降低;凝固时体积缩小的晶体,凝固点随压强的增大而升高。在凝固过程中,液体转变为固体,同时放出热量。所以物质的温度高于熔点时将处于液态;低于熔点时,就处于固态。非晶体物质则无凝固点。
凝固特点
晶体凝固特点:
达到一定温度才开始凝固;
凝固时温度保持不变;
凝固时固液并存;
凝固一定放热。
非晶体凝固特点:
凝固时温度持续下降;
凝固时放热。
凝固点和熔点的区别
熔点是指晶体由固态转为液态的临界温度,凝固点是晶体由液态变成固态的临界温度。所以,这两个点都是晶体在统一临界状态下的温度。同一种物质的熔点和凝固点是同一个温度,只不过是考虑的物态变化方向不同,从而叫出了不同的名字,当物质从固态变化为液态时,叫熔点;当物质从液态变化为固态时,这个温度叫凝固点。

凝固点(熔点)改变的因素
压强
平时所说的物质的熔点(凝固点,下同),通常是指一个大气压时的情况;如果压强变化,熔点也要发生变化。熔点随压强的变化有两种不同的情况。对于大多数物质,熔化过程是体积变大的过程,当压强增大时,这些物质的熔点要升高;对于像水这样的物质,与大多数物质不同,冰熔化成水的过程体积要缩小 (金属铋、锑等也是如此) ,当压强增大时冰的熔点要降低。
溶有杂质
如果液体中溶有少量其他物质,或称为杂质,即使数量很少,物质的熔点(凝固点,下同)也会有很大的变化。例如水中溶有盐,熔点(固液两相共存并平衡的温度)就会明显下降,海水就是溶有盐的水,海水冬天结冰的温度比河水低,就是这个原因。饱和食盐水的熔点可下降到约-22℃。






rzegkly  版主

发表于 2019-2-21 08:25:55

冰雪融化实验有意思,工匠精神!
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zjy_wg3613  学徒

发表于 2019-2-21 10:54:41

建立的不错的实验室
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rzyzzxw  版主
 楼主|

发表于 2019-2-24 20:34:00

截图201902242033566292.png
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