Tento program poskytuje možnosť automatizovaného merania, zberu dát a následného spracovania údajov, odmeraných pomocou voltmetra a pikoampérmetra pripojených k špeciálnej elektronke (trióde s Hg naplňou) Franckovho - Hertzovho pokusu na overenie skutočnosti, že energie elektrónu v atóme sú kvantované. Tento pokus s ionizáciou Hg pár pri zrážkach s elektrónmi poslúžil svojho času na potvrdenie Bohrovej hypotézy o diskrétnych energetických stavoch atómu a Franckovi spolu s Hertzom bola aj za jeho vykonanie a interpretovanie udelená v roku 1925 Nobelova cena za fyziku.
 

Obr.1 Zapojenie meracej aparatúry. Digitálne prístroje (pA-meter a V-meter musia mať oddelené meracie svorky od uzemnenia ostatnej apartúry pre zber dát). V obvode žeravenia elektrónky sa na nastavenie prúdu používa ešte reostat.

Program pozostáva formálne z častí:
 

A -	pomocou ktorej sa vykonáva proces merania;
B -	pomocou ktorej sa zobrazia a vyhodnotia namerané údaje.

 

A.	Štart merania. (Prvá časť programu.)

Táto voľba umožňuje spustiť meranie na zariadení (obr.1), pozostávajúcom z programovateľného zdroja napätia 0 - 84 V (obr. 2), Franckovej - Hertzovej elektrónky, voltmetra a pikoampérmetra.

Požiadavka automatizovaného zberu dát a ovládania voltmetra s pikoampérmetrom (realizovaných pomocou prístrojov BM 545 Tesla) požadujú nakonfigurovať tlačítkové prepínače na zadnej strane prístrojov Tesla nasledovne:

• S1 stlačené
• S2 až S4 nestlačené.

Prístroj v hornom konektore intefejsu má byť voltmeter BM 545. Prístroj v dolnom konektore intefejsu má byť ampérmeter BM 545. S ohľadom na spoločné uzemnenie prístrojov musí indikovať voltmeter BM 545 zápornú polaritu napätia.
 
 

Obr. 2. Princip zapojenia regulovaného zdroja pre napájanie mriežky Franckovej - Hertzovej elektrónky, založený na sériovom zapojení regulovaného zdroja 12V (na báze prevodníka DAC) so zdrojmi 12V, 24V a 48V, ktoré sa podľa potreby pripájajú pomocou reléových spínačov na celkové napätie 0 až 84 V.

Nezabudnite prepínať rozsahy prístrojov tak, aby merané údaje mali maximálne rozlíšenie (presnosť) !!! Ak má prístroj nastavený nevhodne malý rozsah bude prístroj a tým aj program čakať až sa prepne vhodnejší rozsah na prístroji. Ak má prístroj nastavený nevhodne veľký rozsah bude prístroj indikovať prakticky stále rovnakú zaokrúhlenú hodnotu.

Na úvod merania treba nastaviť na voltmetri a pikoampérmetri vhodné prúdové a napäťové rozsahy a zadať interval, v ktorom má narastať napätie na mriežke Franckovej - Hertzovej elektrónky napr. od 3 V s krokom prevodu DAC ~ 0.4 V . Minimálny krok zmeny napätia je určený typom 8 bit prevodníka DAC teda
 

Najlineárnejší priebeh napätia na mriežke elektrónky U_DAC=f(krok_DAC) bude pri zadávaní násobkov tohto kroku DU . Vyplýva to z diskrétneho spôsobu ovládania prevodníka. Priebeh U_DAC=f(krok_DAC) možno skontrolovať pomocou voľby - 3  ponukového menu vyhodnocovanej  časti programu.

Program v úvode požaduje (tiež kvôli dokumentácii výsledkov na tlačiareň) okrem mena a študijnej skupiny zadať
 

q	teplotu piecky z teplomera;
q	napätie na autotransformátore pre ohrev piecky.

Potom v ďalšej výzve program vyžaduje zadať:
 

q	začiatočné napätie Uz  (od 0 po 84V - vyjadrené v krokoch DAC);
q	krok DU  (min DU~48mV), s ktorým sa bude napätie UDAC=Uz+DU  zväčšovať.

Ovládanie zdroja napätia so zberom údajov z prístrojov možno ukončiť pred dosiahnutím predvolenej hodnoty buď ručne pomocou ESC alebo sa meranie ukončí automaticky pri veľkom zväčšení anódového prúdu, keď začne výboj v elektrónke. Momentálne je v programe nastavená hodnota maximálneho prúdu 0,6 uA.

Namerane údaje sa ukladajú do súboru: D:\PRAKTIKUM\F-H\DATA\merF-H.asc. Sú teda prístupné aj pre niekoľkonásobné vyhodnotenie. V priebehu vyhodnocovania sa dáta (I = f (krok_U_DAC) ukladajú do súboru D:\PRAKTIKUM\F-H\DATA\merF-H0.dat (resp. I=f(U) do súboru merF-Hv.dat a U=f(krok_UDAC) do súboru merF-Hp.dat). Napr. v prípade poruchy počítača pri vyhodnocovaní sa možno k nim dostat po znovu spustení programu. V prípade, že si pamätáte hranice vyhodnocovacích rozsahov, pri ktorých ste hľadali vrcholy (alebo ak ste boli tak predvídaví, že ste si ich poznamenali), tak vyhodnotenie nameraných výsledkov možno veľmi rýchlo zopakovať.
 

Obr2a. Ilustrácia závislosti U = f (krok_UDAC) - pre odhad počtu krokov, potrebných na nastavenie určitého napätia U.

B.	Spracovanie nameraných údajov. (Druhá časť programu).

cPre ďalšie spracovanie údajov sú zaujímavé voľby :
 

1.	zobrazenie nameraných údajov závislosti I = f (krok_UDAC)
2.	fitovanie (=> určenie stredu vrcholu závislosti)
3.	zobrazenie priebehu UDAC = f (krok_UDAC) => ( na kontrolu linearity DAC)
4.	vytlačenie výsledkov

 

1.	Zobrazenie nameraného priebehu.

Po odmeraní závislosti prúdu I cez F - H elektrónku od napätia na jej mriežke U_DAC=U_z+DU umožňuje program podľa želania zobraziť buď celý nameraný priebeh alebo jeho časť. Pri určitom nastavenom kroku prevodu DAC, o ktorý sa zvyšuje generované napätie U_DAC sú merané hodnoty závislosti I = f (krok_U_DAC) merané pri násobkoch tohto kroku DAC. Nakoľko počet meraných bodov je rovný počtu krokov DAC a tieto sú celé čísla, predstavuje tento spôsob zobrazenia určité zjednodušenie programu (vďaka využitiu podprogramov z úlohy 15). Preto je pre určenie intervalu pre zobrazenie priebehu použitý ako základný spôsob, odvodený od poradového čísla nastavenia kroku napätia DU~krok_U_DAC na prevodníku DAC.

Výsledné zobrazenie spektra možno preto modifikovať 2 spôsobmi, na základe voľby - Typ, ktorá môže byť:
 

1 -	( pre os x v jednotkách napätia => V.)
0 -	( pre os x meranú v jednotkách počtu prírastkov DU~krok_UDAC.

Zobrazený priebeh možno z tejto ponuky hneď aj vytlačiť. Mimoriadne zaujímavé je znovu zobrazenie (a následné vytlačenie pomocou ponuky - Vytlačenie výsledkov) celého nameraného priebehu na konci merania po ofitovaní, t.j. po zistení polôh jednotlivých vrcholov, nakoľko okrem nameraného priebehu sa v tomto grafe zobrazí aj fit Gaussovej aproximácie vrcholov.
 
 

Obr.3. Príklad odmeranej závislosti I = f (krok_UDAC).

 

2.	Fit - určenie polohy vrcholu.

Poloha vrcholov nameranej závislosti prúdu cez elektrónku sa určuje ťažiskovou metódou (na základe zadania predpokladaného začiatku a konca intervalu hodnôt lokalizácie píku, obdobne ako pri zobrazovaní celkového priebehu spektra). Diskutabilný môže byť fit priebehom Gaussovej funkcie ako aj spôsob určenia nepresnosti vrcholu na základe pološírky, resp strednej kvadratickej odchýlky s Gaussovho rozdelenia. V zhodnotení výsledkov merania referátu môžete k tomuto zaujať svoje stanovisko.
 

Obr.3a. Ilustračný príklad hľadania polohy vrcholu.

 

Po ofitovaní vrcholu umožňuje ponuka :

• Uložiť najdenú polohu maxima U_str do pamäti pre zostrojenie výslednej tabuľky pre celkové vyhodnotenie bez okamžitého vytlačenia  grafu tohto jednotlivého fitu. Ilustračný graf nameraného spektra + celkového zobrazenia jednotlivých fitov možno vytlačiť ešte aj na záver v ponuke 4 - vytlačenie výsledkov.

Najdené hodnota U_str z fitov sa ukladajú do výslednej tabuľky (tab.2 a tab.3) celkového vyhodnotenia v poradí podľa postupu merania.

Kvôli prehľadnosti tabuľky 2 a 3 a správnemu učeniu rozdielov polôh maxim U_strn - U_strn+1 by som doporučil postupovať pri ukladaní polohy vrcholov do pamäti postupne od najmenšej hodnoty k najväčšej alebo opačne a teda nie systémom napreskáčku. Ale proti gustu žiaden dišputát, resp. some like it heat a rád si všetko sám ručne overí.
 
 
 

• Uložiť nájdenú polohu U_str tak ako v predošlom prípade a tiež vytlačiť graf posledného fitovania. Spolu s grafom sa vytlačí aj hlavička, napr. podobná nasledujúcemu textu:

Tab.1

	Fit od kroku ADC = 335 po krok ADC = 380
Stred	T0 = 356.1 + - 12.05 kroku ADC
resp.	T0 = 35.7 + - 1.11 V [Pch= 35.96247]

• skončiť fitovanie bez záznamu o fitovaní . Tento postup je vhodný v prípade, že tvar fitu bol neuspokojivý alebo ak s iného dôvodu chceme ukončiť prácu v tejto ponuke.

Obr.3b. Ilustrácia zmeny spektra po ofitovaní (píku číslo 3).

 

3.	Kontrola linearity prevodu UDAC=f(krok_DAC).

Priebeh U_DAC=U_z+DU, generovaný na výstupe prevodníka DAC nemusí byť ideálne lineárne závislý od počtu krokov prevodníka. Možnosť zobraziť si tento priebeh a ohodnotiť jeho nelineartu (integrálmu a diferencialnu) partrí k jednému z kontrolnych meraní na aparatúre. V prípade zlomov  alebo skokov v spektre (obr.4.) môže objasniť ich príčinu.
 
 

Obr.4. Príklad zlomu v spektre spôsobený nevhodným nastavením kroku DUDAC alebo neprekrývaním sa rozsahov zdrojov napätia pri ich kombinovaní (druhé spektrum je posunuté doprava).

Nakoľko vytlačenie priebehu nameranej závislosti ako aj jednotlivých úsekov grafu pri fitovaní sa realizuje z ponuky 1 - zobrazenie a 2 - fit, vytlačí sa v tejto ponuke len poloha U_str jednotlivých maxím (tab.1.), ktoré sú predmetom záujmu v tomto meraní (za predpokladu ich uloženia do tabuľky po fitovaní) napr. v tvare  tab.2 (napr. zbytočný 3 riadok tabuľky):

Tab.2.

	Ustr1 = 5.6 + - .56 V
	Ustr2 = 10.2 + - .64 V
	Ustr3 = 10.2 + - .64 V	=> zbytočné opakovanie uloženia
	Ustr4 = 15.6 + - .79 V
	Ustr5 = 20.6 + - .73 V
	Ustr6 = 25.4 + - .81 V
	Ustr7 = 30.5 + - .89 V
	Ustr8 = 35.7 + - 1.11 V

 

Na záver možno ešte raz vytlačiť graf celého spektra, v ktorom sa zobrazia aj všetky predtým fitované priebehy spolu s konečnou tabuľkou 3.

Tab.3.

Ustr1 = 5.6 + - .56 V => rozdiel D U = Ustr1 - Ustr0 = 5.6 +- .56 V

Ustr2= 10.2 + - .64 V => rozdiel D U = Ustr2 - Ustr1 = 4.6 +- .85 V

Ustr3 = 10.2 + - .64 V => rozdiel D U = Ustr3 - Ustr2 = 0 +- .91 V

Ustr4 = 15.6 + - .79 V => rozdiel D U = Ustr4 - Ustr3 = 5.4 +- 1.02 V

Ustr5 = 20.6 + - .73 V => rozdiel D U = Ustr5 - Ustr4 = 5 +- 1.08 V

Ustr6 = 25.4 + - .81 V => rozdiel D U = Ustr6 - Ustr5 = 4.79 +- 1.09 V

Ustr7 = 30.5 + - .89 V => rozdiel D U = Ustr7 - Ustr6 = 5.1 +- 1.2 V

Ustr8 = 35.7 + - 1.11 V => rozdiel D U = Ustr8 - Ustr7 = 5.2 +- 1.42 V

5.

Help.

To je tento traktát, ktorý môže byť užitočný v prípade potreby.

[Návrat]