Laborversuch: Pendelschwingungen 1 Pendel 2 Datenerfassung

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Praktikum zur Computertechnik
Laborversuch:
1
Pendelschwingungen
Pendel
Abgleich-
Eine lange Metallstange mit einem Massestück am
ist drehbar an einer Achse befestigt. Das Gehäuse
kann an einem Stativ befestigt werden und enthält
das Mess-Potentiometer, das AbgleichPotentiometer und die erforderlichen
Anschlussbuchsen. Schwingt das Pendel hin und
wird der Schleifer des Mess-Potentiometers mit
bewegt. Die beiden Potentiometer sind als Brücke
geschaltet, so dass bei Versorgung mit einer festen
Gleichspannung zwischen den Schleifern das
Messsignal als Spannung gemessen werden kann.
Mit dem Abgleich-Potentiometer kann die Spannung
an der Ruhelage auf Null eingestellt werden.
2
Potentiometer
unteren
Ende
Mess-Signal
(gelb/gelb)
0V
(blau)
her,
+20V
(rot)
MessPotentiometer
Datenerfassung
Das Mess-Signal wird mit dem Messmodul Ni9219 erfasst. Im zugehörigen Task wird eine
kontinuierlichen Messung eingestellt, da die Übernahme von Einzelwerten zu langsam ist
(hohe Messgeschwindigkeit auf Registerkarte Gerät einstellen). Wählt man z.B. eine
Abtastrate von 20Hz und eine Blocklänge von n=20, dann werden in jeder Sekunde 20
Messungen ausgeführt und die 20 Werte als Block an das LabVIEW-Programm
übertragen, während schon der nächste Block erfasst wird.
Die Minimalform des LabVIEW-Programms besteht aus einer Schleife ohne Taktung (diese
ist im Modul festgelegt) mit dem Baustein des Mess-Kanals und einem Diagramm zur
Datenanzeige. Am Baustein des Mess-Kanals ist einzustellen „Analog – Ein Kanal –
Mehrere Messungen -1D DBL“. Am Anschluss „Anzahl Samples pro Kanal“ (blau) ist die
entsprechende Blocklänge z.B. 20 als Konstante festzulegen.
Wählen Sie im Diagramm für die Achsen eine automatische Skalierung. Beim Diagramm
werden in der Grundeinstellung auf der Zeit-Achse die Messungen gezählt. Bei den
„Eigenschaften – Skalierungen“ muss daher ein Faktor von 1/20 = 0,05 festgelegt werden.
Dort lassen sich auch Gitterlinien für das Diagramm auswählen.
Um bei jedem Programmstart das Diagramm zu löschen ist ein Element
(Eigenschaftsknoten) außerhalb der Schleife zu plazieren, das man im Diagrammfenster
wie folgt erstellt:
Rechtsklick auf Diagramm – Erstelle – Eigenschaftsknoten
Rechtsklick auf Eigenschaftsknoten – Alle in Schreiben ändern
Rechtsklick auf grüner Schrift – Eigenschaften – Historie-Daten
am Historie-Anschluss – Erstelle – Konstante
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Aufgaben und Auswertung
3.1
Dokumentation
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Erstellen Sie ein Textdokument, in dem alle wesentlichen Bauteile, Aufbau-Anordnungen,
Schaltungen, Programme, Einstellungen usw. in übersichtlicher Form festgehalten sind.
3.2
Schwingungsdauer
Bauen Sie die Anordnung auf und programmieren Sie die Datenerfassung. Erfassen Sie
mehrere Schwingungen und bestimmen Sie aus dem Diagramm die zugehörige
Schwingungsdauer T. (Durch Änderung der Beschriftung an den Achsen lassen sich
Ausschnitte wählen.)
Prüfen Sie, ob sich die Schwingungsdauer bei verschiedenen Amplituden verändert.
Stellen Sie durch Veränderung der Massenposition die Schwingungsdauer auf T=2,00s ein.
3.3
Dämpfung
Durch Reibung in den Lagern und im Potentiometer, sowie durch Luftwiderstand nimmt die
Amplitude der Schwingung ständig ab. Bestimmen Sie, nach welcher Zeit bzw. nach wie
vielen Schwingungen die Amplitude auf 90%, 50% und 37% gefallen ist. Prüfen Sie, ob die
Daten mit einer e-Funktion mit der folgenden Funktionsgleichung verträglich sind:
A t=A 0 e
3.4
−t

wobei τ die zu 37% gehörende Zeit ist (Zeitkonstante tau).
Gekoppelte Pendel
Zwei benachbarte Pendel mit einem Abstand von ca. 400mm und gleicher
Schwingungsdauer werden in der Mitte oder etwas oberhalb durch eine weiche
Schraubenfeder miteinander verbunden. Das Verhalten an beiden Messstellen ist zu
messen, zu beobachten und zu beschreiben.
4
Wichtige Begriffe
4.1
zum Pendel
Physikalisches Pendel, Harmonische Schwingung
Ruhelage, rücktreibende Kraft, lineares Kraftgesetz
mathematische Beschreibung der harmonischen Schwingung, Sinus- und Cosinusfunktion
Auslenkung (Elongation), Amplitude, Schwingungsdauer, Frequenz
Schwebung
4.2
zur Messtechnik
Potentiometer, Brückenschaltung, Brückenspannung
Mess-Modul NI9219, Task-Definition, LabVIEW-Programm
Spannungsmessung, Messbereich, Auflösung
Abtastrate (Abtastfrequenz), Taktintervall, Blocklänge
als mögliche Ergänzung: Aliasing-Effekt
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Einstellungen
prüfen
Anschluss erscheint erst nach
Änderung der angezeigten
Einstellungen
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