MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ Fakulta pedagogická Katedra fyziky
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE FYZIKÁLNÍ EXPERIMENTY SE ŠKOLNÍMI INTEGROVANÝMI MĚŘÍCÍMI, MODELOVACÍMI A ŘÍDÍCÍMI SYSTÉMY
Brno 2007
Pawera Lukáš
-2-
Prohlášení : Prohlašuji, že jsem tuto práci napsal sám s pomoci literatury, která je uvedena v seznamu literatury.
Podpis:
-3-
Anotace Tato práce byla vytvořena jako motivace pro učitele předmětů fyziky a technicky zaměřených oborů. Měla by ukázat možnost dnešní doby a vést k oživení vyučovacích hodin těchto předmětů. První část se zabývá problematikou experimentu, druhá je zaměřena na popis nejznámějších řídících a měřících systému používajících se v dnešní době a v poslední třetí části je vybráno a podrobně popsáno pár experimentů s metodickými pokyny pro sestavení a doplněno podrobným rozborem a popisem naměřených výstupních dat.
Anotation This work have been made like a motivation for teachers of physics and technical education. It could show the ways of todays trend and make a recovery of school lesson. The firs part devote to problems of experiments, second devote to description of most famous control and measuring systems and in the last third part is choosen instructions for realization.
a few exeriments with methodical
-4-
Obsah
1. ÚVOD……………………………………………………………………………....5 2. TRENDY V SOUČASNOSTI……………………………………..……………...6 3. STRUČNĚ O TEORII MĚŘENÍ………………………………………………...7 3.1 Experimentální práce……………………………………………………...7 3.2 Předpisy pro experimentální práci………………………………………...10 3.3 Princip měření……………………………………………………………11 3.4 Zpracování výsledků měření……………………………………………..13 4. ŠKOLNÍ SOFTWAROVÉ NÁSTROJE PRO MĚŘÍCÍ SYSTÉMY………...14 4.1 Famulus…………………………………………………………………..15 4.2 ISES - Inteligentní Školní Experimentální Systém………………………16 4.3 ISES Profesional…………………………………………………………20 4.4 Control Panel……………………………………………………………..22 4.5 LabVIEW………………………………………………………………...23 5. PROJEKT………………………………………………………………………...28 5.1 Elektronika v praktiku……………………………………………………28 5.1.1 Měření V-A charakteristik……………………………………..28 5.1.2 Měření na diodovém usměrňovači…..…………………………32 5.1.3.Rezonanční křivka……………………………………………..36 5.2 Skládání kmitů…………………………………………………………...39 6. ZÁVĚR…………………………………………………………………………...42 7. POUŽITÁ LITERATURA………………………………………….…………….43
-5-
1. ÚVOD Cílem mé bakalářské práce bylo sestavit a vyhodnotit několik demonstračních úloh využívajících dnešní možnosti PC. Vybrány byly úlohy, které se dají vhodně použít ve fyzikálním praktiku. Zaměření bylo tématicky směřováno k elektrickému obvodu a na experimenty s jednotlivými prvky obvodu.
-6-
2. Trendy v současnosti Naše současnost je provázena rozvojem informačních a komunikačních systémů, automatizací, robotizací a uplatňováním nových technologií. Dnes, kdy se poznatky stále prohlubují a rychle rozmnožují, nestačí si jen znalosti pamatovat. Studenti by měli umět znalosti používat v praktických problémech. K těmto dovednostem je vede experimentální a demonstrační praktikum.
Abychom v hodinách nepoužívali pouze informativního typu výuky, je zapotřebí, abychom měli takové vyučovací prostředky, které nám umožní jiné způsoby vyučování. Pro přiblížení výuky běžným laboratorním metodám lze užít standardní PC a programy, které umožňují provádět měření prostřednictvím vstupních portů PC IEEE-488, VME/VXI, RS-232, RS-485, měřicích karet apod.
-7-
3. STRUČNĚ O TEORII MĚŘENÍ Experiment je základní nástroj poznání stavu či dějů v přírodě. Ve školní praxi je experimentální přístup k řešení úkolu je obvykle vhodně uměle připravený a někdy i zjednodušený. Zahrnuje několik etap, a to přípravu experimentálního zařízení, vlastní měření a zpracování výsledku měření. Tento přistup je sice finančně i časově náročnější oproti teoretickému řešení, ale získané výsledky bývají skutečným obrazem stavu sledovaného modelu nebo skutečného objektu a tak věrohodněji popisují chování reálných procesů v daném prostředí či ve sledovaných zařízeních. [ 1 ]
3.1 Experimentální práce
Experiment vyžaduje přípravnou etapu, vlastní měření a závěrečnou etapu či zpracování měření, a to včetně vypracování závěrečné zprávy. V této kapitole se budeme zabývat podrobněji jednotlivými fázemi experimentální práce, obsahem protokolu o měření a osnovou závěrečné zprávy o experimentální práci.
Fáze experimentální práce
Jednotlivé fáze experimentální práce jsou obvykle následující: 1) stanovení předmětu a cíle experimentu, 2) literatura o řešeném problému, 3) návrh pracovní hypotézy, 4) volba experimentální metody, 5) návrh a sestavení experimentálního zařízení, 6) plán měření, 7) měření a zápis protokolu o měření, 8) zpracování a vyhodnocení výsledků měření, 9) vypracování závěrečné zprávy.
-8-
V počáteční fázi experimentální práce je třeba přesně stanovit předmět a cíl práce. Při měření složitějších objektů je často nutné omezit počet měřených veličin, aby bylo měření zvládnutelné. V jiných případech se můžeme ocitnout v situaci, kdy je třeba stanovit minimální počet měřených veličin, které by byly postačující pro celkové posouzení zkoumaného objektu. [ 1 ]
Dále by měla následovat literární rešerše řešeného problému. Tento krok může vést i ke korekci stanovení předmětu a cíle experimentu, ale především nám umožní lépe formulovat pracovní hypotézu, zvolit vhodnou metodu řešení našeho problému, přičemž může ovlivnit i celý průběh následných činností. V ne poslední řadě nám může literární rešerše poskytnout údaje pro porovnání našich výsledků s řešením obdobných problémů nebo některých částí obdobných problémů na jiných pracovištích. [ 1 ]
Velmi důležitou částí experimentální práce, obzvláště u prací výzkumných, je návrh pracovní hypotézy. Jedná se vlastně o jistý fundovaný odhad, jak se bude měření vyvíjet a jaké budou jeho výsledky. Při těchto úvahách vycházíme obvykle z literární rešerše a vytvoříme si teoretický rozbor situace. Uvážíme přitom možné vlivy, které mohou měření ovlivnit, přičemž rozlišujeme vlivy významné a zanedbatelné. V jednodušších případech se můžeme pokusit vyjádřit předpokládané chování systému i přibližně matematicky, a to na základě znalosti přírodních zákonů.
Dalším krokem experimentální práce je volba vhodné experimentální metody včetně vhodného experimentálního zařízení. Pro zkoumání téhož jevu je obvykle možné použít různých experimentálních metod. Volbu správné metody provádíme tak, aby metoda zajišťovala reprodukovatelnost výsledků (při opakovaném měření za stejných podmínek musí metoda dávat shodné výsledky) a aby metoda zabezpečovala co nejvyšší přesnost výsledků (čímž rozumíme stupeň shody výsledků měření se skutečnou hodnotou měřené veličiny). Často jsme při výběru experimentální metody limitováni ekonomickými možnostmi, nebo dostupností určitého zařízení. [ 1 ]
-9-
Po volbě experimentální metody je nutné navrhnout a sestavit experimentální zařízení, a to včetně měřeného objektu. Experimenty se pak provádějí bud' na skutečném zařízení - díle, nebo na modelech. Návod jak zhotovit model, v případě, že experiment na díle je neproveditelný či nákladný, lze získat aplikací tzv. teorie podobnosti. Tato teorie pojednává o podobnosti přírodních dějů a o metodách, jimiž lze podmínky podobnosti zjistit. Na základě teorie podobnosti se naměřené výsledky na modelu zobecňují a pak je lze aplikovat na podobné útvary a tudíž přenést i na vlastní dílo. Pojem modelu je však dosti široký. Obyčejně chápeme model jako předmět či zařízení zhotovené dle skutečného díla ve zmenšeném měřítku. Mezí modely však řadíme i zařízení sestrojená na základě formální shodnosti rovnic popisujících děj na díle a na modelu. V případě měření na skutečném zařízení, ale i při měření na modelech, je třeba obvykle upravit měřený objekt, aby bylo možné v něm umístit měřící čidla, sondy, odběry vzorků apod. Při tvorbě plánu měření určujeme pro jaké hodnoty okrajových či počátečních podmínek bude měření prováděno a jaký bude počet opakování měření. Počet opakování měření je volen optimálně, a to vzhledem k požadované přesnosti měření a vzhledem k ekonomickým nebo i časovým možnostem. U rozsáhlejších měření z praktických důvodů všechna měření neopakujeme, ale provádíme jen kontrolní měření pro ověření správnosti navržené měřicí metody a funkce jednotlivých měřicích přístrojů. [ 1 ]
Nejdůležitější části experimentální práce a obvykle i nejpracnější a nejobsáhlejší je vlastní měření a zápis protokolu o měření. Je přitom nutné postupovat organizovaně a dle navrženého plánu, aby nedocházelo ke zbytečných chybám měření, případně i znehodnocování měření. Všechny naměřené údaje, poznatky o průběhu měřeni, případně u laboratorních měření i údaje o stavu prostředí v laboratoři, se zaznamenávají do protokolu. Protokol o měření obvykle obsahuje: - údaje o předmětu měření, - seznam měřících přístrojů a schéma zapojení, - časové údaje o měření a jména zúčastněných pracovníků, - údaje o stavu okolního prostředí a poznámky k průběhu měření, - tabulku s naměřenými hodnotami.
- 10 -
Protokol je uložen u řešitele úkolu a je dokladem o provedených měřeních. Pečlivě vedený protokol lze využít při sporech o výsledcích měření, nebo při hledání chyb měření. Zvláštní význam má protokol z měření kontrolního charakteru. Při počítačových měřeních, nebo měřeních s přístroji umožňujícími dodatečný přenos dat do počítače jsou naměřená data uložena v počítačovém souboru, který lze využít pro vytvoření žádaného protokolu. Protokol o měření prováděných v rámci školní výuky je vždy součástí zprávy o výsledcích měření. [ 1 ]
Nedílnou součástí experimentálních prací je přehledné zpracování a vyhodnocení výsledků měření, a to ve formě tabulek, grafů, rovnic, obrazů apod. U složitějších měření, nebo u počítačových měření se výsledky zpracovávají pomocí počítače. Zpracování
výsledků měření
musí
vždy
zahrnovat
i
stanovení
nejpravděpodobnějších hodnot měřených veličin včetně vyhodnocení chyb a rozboru chyb měření. [ 1 ]
Posledním krokem experimentálních prací je vypracování závěrečné zprávy, která musí být především stručná jasná přehledná a úplná. Musí obsahovat všechny údaje nutné k případnému opakování experimentů.
3.2 Předpisy pro experimentální práci
Předpisy pro měření Měření všech fyzikálních a stavových veličin musí být jednotná, aby naměřené údaje byly navzájem porovnatelné. Tuto jednotu zajišťuje tzv. soustava etalonů. Měření v technice jsou rovněž vázána technickými předpisy - normami. Tyto normy stanovují postupy měření a konkrétní přesnosti použitých měřicích přístrojů pro měření požadovaných veličin.
- 11 -
Bezpečnost práce
Při měřeních ve školních laboratořích je nezbytné vždy respektovat bezpečnostní předpisy, které slouží k ochraně života a zdraví člověka a často mají vliv i na ochranu majetku. Informace o bezpečnosti práce se zajišťuje proškolením žáků na začátku každého školního roku a pravidelnými instruktážemi o bezpečnosti práce v konkrétních pracovních prostorách a laboratořích.
Bezpečnost práce je zakotvena v řadě norem. Přímý vztah k měřením mají normy ČSN 33 0300, ČSN 33 2000 a ČSN 33 2320; ČSN 34 3500 o pomoci při úrazech elektřinou a především vyhláška ČÚBP č. 50/1978 Sb. o odborné způsobilosti v elektrotechnice.
3.3 Princip měření
Měření je proces, a proto je pro jeho udržení zapotřebí určitý tok energie či látkový tok. Je to nejdůležitější, nejpracnější a nejobsáhlejší část experimentální práce. Měřicí proces obvykle prostřednictvím čidla tuto energii více či méně ovlivňuje - spotřebovává. Čidlo (snímač, senzor) pak danou energii transformuje a výsledkem je informace o stavu nebo průběhu procesu ve sledovaném objektu. Nositelem této informace je opět příslušná forma energie nebo akumulace látky generovaná měřicím čidlem. Není-li však tato forma energie vhodná pro další zpracování informace, používají se převodníky pro transformaci této energie na energii vhodnou pro další zpracování. Měření je realizováno technickými měřícími prostředky, které společně tvoří bud' měřicí kanál nebo celý měřicí systém.
Školní měřící technika se řadí mezi provozní měřící techniku. Protože při školních měřeních není nutné dosahovat vysoké přesnosti, mívají tyto přístroje menší přesnost než klasická provozní měřící technika a je též levnější. Také se většinou preferují měřící přístroje přenosné, bohužel jsou také většinou starší a neumožňují
- 12 -
připojení na výpočetní techniku, takže se zpracování výsledků provádí ručně. Často jsou právě při tomto závěrečném zpracování způsobeny největší množství chyb. [ 1 ]
Přesnost a správnost měření
Objektivní hodnoty měření, tzn. přesné a správné hodnoty měření se obecně zajišťují justáží, kalibrací, graduováním a v provozu pak také ověřováním měřidla. Justáž měřidla je jeho uvedení do stavu pohotovosti k použití s odpovídající správností tak, aby byla dodržena stanovená přesnost měřidla. Kalibrace je vyznačení polohy měřicích značek nebo hlavních značek u měřidel, odpovídajících určitým hodnotám měřené veličiny. Graduování je vlastně zhotovování stupnice měřidla dle předem vyznačených měřicích značek kalibrací. Ověřování je souhrn činností prováděných orgánem státní služby pro legální metrologii, nebo právoplatně zmocněným orgánem, který zjistí a potvrdí, že měřidlo zcela vyhovuje požadavkům předpisů pro ověřování (po provedení zkoušky je měřidlo označeno ověřovací značkou). Kontroly měřidel provádějí orgány státní metrologie a podnikové metrologie, která se buduje s ohledem na charakter výroby a činnosti podniku nebo firmy. Požadavky na měřicí přístroje, na jejich ověřování, způsob uložení apod. jsou shrnuty v Řádu podnikové metrologie. Řád rovněž zajišťuje, aby byla vedena v podniku evidence lhůt kontroly měřidel a aby se nepoužívala měřidla nesprávná. Kontrola měřidel v podnicích vyžaduje speciální laboratoř se stálou teplotou okolo 20°C, bez otřesů, bez prachu, s okny na severní stranu, s dvojitými dveřmi apod.
Rozdělení měření
Měření je možné dělit z několika hledisek. Rozlišujeme měření přímá, kdy žádanou veličinu stanovíme přímo měřením pomocí její definice (viz např. měření délek) a nepřímá, kdy žádanou veličinu určíme výpočtem ze známého fyzikálního zákona či vztahu, a to ze známých naměřených veličin (viz např. určení hustoty plynu
- 13 -
ze stavové rovnice pomocí naměřené teploty a tlaku). Dle způsobu měření rozeznáváme měření absolutní, která poskytují absolutní hodnoty měřených veličin v jednotkách daných definicí měřené veličiny a měření relativní, která poskytují relativní hodnotu měřené veličiny vzhledem ke známé referenční hodnotě téže veličiny. Dle závislosti měřené veličiny na jiných veličinách rozlišujeme měření veličin nezávislých na jiných veličinách (viz např. měření délek pevných látek, které může skutečně minimálně ovlivnit pouze teplota) a měření veličin závislých na jiných veličinách. Některé výsledky měření veličin závislých mohou být zpracovány funkční závislostí měřené veličiny na jiné veličině (nezávislé veličině nastavované při měřeních na různé hodnoty), jiné mohou být zpracovány pouze stochastickou závislostí. [ 1 ]
3.4 Zpracování výsledků měření
Výstupem každého měření jsou informace o stavu či ději sledovaného objektu, a to ve formě souboru naměřených hodnot zaznamenaných tabelárně v protokolu o měření, ve formě grafické, ve formě obrazů, nebo ve formě dat uložených v počítačových souborech. Výsledné hodnoty se pak uvádějí opět nejlépe pomocí grafů či tabulek. Při zpracování na počítačích je celé vyhodnocování pojaté komplexněji, jelikož vstupem jsou tabulky naměřených hodnot, ze kterých lze vytvořit tabulky výsledných hodnot měření, vykreslit do požadovaných grafů tabulkové hodnoty a tyto dále graficky proložit vhodnou funkční závislostí, pro kterou musí být v počítači známa rovnice. [ 1 ]
Chyby a nejistoty měření
Při každém měření je třeba počítat s tím, že naměřené údaje jsou zatíženy chybami. Patří k nim chyby čidel, chyby přístrojů, chyby převodníků signálů, chyby obsluhy, chyby zvolené metody, chyby umístění čidel, chyby způsobené okolním prostředím, chyby zpracování měření apod.
- 14 -
4. ŠKOLNÍ SOFTWAROVÉ NÁSTROJE PRO MĚŘÍCÍ SYSTÉMY Počítačový měřící a řídící sytém si nelze představit bez části softwarové, která je stejně důležitá jako je část hardwarové realizace. Softwarovými
nástroji
programového vybavení
pro
měřící
nebo
řídící
systémy
rozumíme
určené pro řízení činnosti měřícího systému nebo
programové vybavení pro tvorbu těchto systémů. Volba softwarové nástroje závisí na řadě faktorů, zejména na: •
typu řídicího počítače, operačním systému a používaných programovacích jazycích
• typu, struktuře a jednotlivých komponentech vlastního měřícího systému.
Podle struktury a použitých prvků můžeme tyto systémy rozdělit na • měřicí systémy na bázi standardizovaných rozhraní (IEEE-488, VME/VXI, RS-232, RS-485) • měřicí systémy na bázi zásuvných měřicích desek • kombinované měřicí systémy (využívají současně zásuvné měřicí desky a měřicí přístroje resp. moduly propojené s řídicím počítačem standardizovanými sběrnicemi)
Softwarové prostředky pro měření a řízení lze rozdělit do následujících kategorií: • ovladače (drivers) • ovladače zásuvných měřicích desek (board drivers) • ovladače měřicích přístrojů nebo modulů (device drivers) • knihovny podprogramů pro zpracování, presentaci a archivaci dat • uživatelské aplikační programy pro měření • speciální programy pro tvorbu uživatelských aplikačních programů pro měření
- 15 -
• firemní aplikační programy zaměřené na konkrétní přístroj, modul nebo měřicí desku • univerzální programové balíky pro měření
Vývojové prostředí a integrované programy
Nejjednodušším způsobem realizace softwarové podpory měření je použití integrovaného systému, který umožňuje přímo po instalaci provádět požadovaná měření a analýzu dat. Předpokladem ovšem je, že naše měřící úloha je zpracovatelná standardním integrovaným programem. V případě, že se nenajde vhodný integrovaný program, který by bylo možno pro řešení úlohy použít, je dalším možným řešením použití vhodného vývojového prostředí a vyvinutí vlastní aplikace. Popřípadě lze vyvinout aplikaci pomocí programování v standardním programovacím jazyku.
4.1 Famulus
Famulus je historicky první český software čistě orientovaný na pomoc ve výuce fyziky a matematiky. Jde o integrovaný systém pro numerické výpočty a názornou prezentaci jejich výsledků ve formě tabulek a grafů. Umožňuje jednoduše ovlivňovat a měnit jak formát výsledků, tak algoritmus samotného výpočtu. Lze jej použít pro zobrazování funkčních závislostí i naměřených dat, k modelování celé řady jevů a procesů z mnoha aplikačních oblastí (zejména v matematice, fyzice a v technických oborech), ke zpracování dat a porovnání výsledků s teoretickými modely, pro rychlou interaktivní práci. Sám o sobě sice žádné výpočetní metody nenabízí, ale lze využívat hotových programů modelů a knihoven podprogramů (procedur a funkcí). Navíc obsahuje integrované prostředí pro vývoj a ladění algoritmů (debugger) umožňující krokovat výpočet a sledovat hodnoty výrazů a proměnných. Ve spojení s ISESem, který umožňuje export dat do Famula se stává univerzální laboratorní výbavou. Jazyk systému Famulus je blízký běžným programovacím jazykům. Famulus verze 3.1 je pro školy zdarma. [ 2 ]
- 16 -
4.2 ISES - Inteligentní Školní Experimentální Systém
Školní experimentální systém ISES je dodáván jako souprava technického vybavení a programového vybavení. V počítači je nasunuta měřicí karta obsahující 12-bitový A/D převodník s multiplexerem s 8 využitelnými kanály pro měření napětí. Na kartě je dále 12-bitový D/A převodník, který je možno využít jako programovatelný zdroj napětí. Tato deska je datovým kabelem spojena s ovládacím panelem. Ovládací panel obsahuje 4 vstupní kanály (A až D) s konektory pro připojení modulů (čidel), 4 vstupní kanály s přístrojovými svorkami určené pro měření napětí od 0 až 5 V (kanály F až I) a jeden výstupní kanál D/A převodníku +/5V s konektorem pro výstupní moduly označený jako E. [ 3 ]
Moduly standardně dodávané s ISES: 1. Moduly pro vstupní kanály A, B, C a D: * teploměr -20 až 120 stupňů C * voltmetr (10 V, 1 V, 100 mV, 10 mV) * ampérmetr (1 A, 100 mA, 10 mA, 1mA) * siloměr * snímač polohy (10-ti otáčkový potenciometr s kladkami) * optická závora (fotometr) * mikrofon * snímač srdečního tepu * ohmmetr * měřič vodivosti * tlakoměr * sonar * detektor hladiny
Moduly pro výstupní kanál E: * proudový booster: proudové posílení D/A výstupu (do 1 A), s možností zvětšení výstupního napětí na +/- 10V a (je napájen z externího zdroje napětí +/- 12V * relé
- 17 -
Bližší popis a parametry vybraných modulů
Voltmetr Jde o universální diferenciální předzesilovač, který slouží k zesílení malých vstupních signálů stejnosměrných i střídavých, resp. též umožňuje zpracování signálů obojí polarity (např. od -5 V do +5 V).
Parametry: •
Vstupní odpor 1 MΩ.
•
Přesnost 2%.
•
Ochrana proti vstupnímu přepětí ± 30 V.
Ampérmetr Modul ampérmetr se svými vlastnostmi funkčně podobá voltmetru. Elektronicky se jedná o převodník proud napětí s diferenciálními vstupy. Proudy (stejnosměrné i střídavé) lze měřit v obou polaritách. Ampérmetr má 4 proudové rozsahy nastavitelné otočným přepínačem.
Parametry •
Přesnost 2%.
•
Maximální vstupní proud ± 1 A
•
Ochrana proti vstupnímu přepětí ± 30 V.
Siloměr Měření síly tímto modulem je založeno na deformaci nosníku, která je snímána optickou metodou. Modul siloměr měří diferenciálně, to znamená, že nám umožňuje snímat i velmi malé změny silového působení na pozadí větších sil. Lze ho používat ve funkci siloměru (hodnoty v Newtonech), ale i ve funkci vah (hodnoty v gramech).
- 18 -
Parametry •
obor maximálního silového zatížení: ±9.81 N (±1 kg)
•
obor diferenciálních silových změn: ±0.98 N (±100 g)
•
maximální citlivost: ±0.01 N (±1 g); přesnost 2 % dva rozsahy pro měření diferenciálních změn, které se přepínají přepínačem 1x/5x : •
1x: obor diferenciálních silových změn: ±0.98 N (±100 g)
•
5x: obor diferenciálních silových změn: ±4.9 N (±500 g)
Modul siloměr má přepínač "g / N" (gram / Newton), který umožňuje využití siloměru i jako váhy. Identifikace modulu i oškálování os se provede automaticky dle jeho polohy. Modul má několik možných způsobů pro snímání silového působení: 1. plošinka, na kterou lze sledované předměty položit 2. háček, na který lze "experimenty" zavěsit 3. v příslušenství je pomocná tyčka, kterou lze přišroubovat zespodu plošiny 4. miska, která se zavěšuje na háček
Teploměr Tvoří ho sonda, která se zapojí k ovládacímu panelu pomocí kabelu s konektorem do libovolného z kanálů A až D. Teploměr je zkalibrován na teplotní rozsah -20 °C až +120 °C, je vhodný pro měření v plynech i kapalinách. Přesnost 2 %. Vlastní teplotní čidlo umístěné na špičce teploměru je galvanicky izolováno od zemních svorek (nulový potenciál) na panelu a jeho závislost na teplotě je lineární.
Optická závora Čidlo pracuje v infračervené oblasti. Modul optická závora reaguje na přerušení optické dráhy světelného paprsku. Optický přijímač a vysílač jsou propojeny a nasunuty na společné tyčce, která je vyhnutá (pro větší pohybující se předměty). Přijímací část optické závory může též pracovat samostatně jako fotometr:
- 19 -
rozpojíme obě části a ponecháme si pouze přijímač (má kabel s konektorem pro připojení do panelu).
Parametry: •
optická závora - reaguje na přerušení optické dráhy
Mikrofon Modul mikrofon tvoří elektretový mikrofon s aktivním předzesilovačem. Citlivost mikrofonního předzesilovače lze nastavit trimrem "CITLIVOST" na držáku mikrofonu. Citlivost je nastavena na nejběžnější použití např. pro snímání rázů ladiček, řeči aj.
Snímač polohy Jedná se o jednoduchý modul, který převádí natočení 10-ti otáčkového potenciometru na napětí. Na hřídelce jsou tři řemeničky, volíme tu, která se jeví pro daný experiment nejvhodnější.
Parametry: •
Poloměry všech tří řemeniček jsou v poměru 1:2:4.
•
1x: maximální výchylka na obrazovce odpovídá 10-ti otáčkám tj. dráze 240 cm na největší řemeničce.
•
2x:maximální výchylka na obrazovce odpovídá 5-ti otáčkám tj. dráze 120 cm na největší řemeničce.
Booster Modul booster (přesněji proudový booster) je určen pro výstupní kanál E, umožňuje zvětšit proudový výstup až na hodnotu 1 A (bez posílení je maximální hodnota asi 10 mA).
- 20 -
Parametry: •
Přepínačem ±5 V / ±10 V volíme rozsah výstupního napětí, které lze odebírat ze svorek modulu booster.
•
±5 V ... výstupní napětí proudového boosteru zůstává nezměněno (je shodné s výstupním napětím kanálu E, co se týče velikosti i funkčního výstupu).
•
±10 V ... výstupní napětí proudového boosteru je dvakrát větší než výstupní napětí v kanálu E (je shodné s výstupním napětím kanálu E, až na multiplikativní konstantu).
•
maximální proudový odběr 1 A.
Tento modul vyžaduje externí napájecí zdroj (počítač nám již nemůže poskytnout požadovaný proud 1 A). Může se použít například školní zdroj BK 126, případně rovněž na školách rozšířený zdroj napětí BS 525, které mají symetrické napětí +12 V a -12 V proti společné zemi (zdroje nejsou součástí soupravy ISES). Externí zdroj může dávat symetrické napětí ± 12 V až ± 15V. [ 3 ]
4.3 ISES Profesional
Náročnější uživatelé si
mohou místo ISESu koupit
systém ISES
PROFESIONAL, který se liší interfaceovou deskou. Ta obsahuje rychlejší A/D převodník s možností DMA ukládání naměřených dat do paměti počítače. Proto má tento systém vyšší vzorkovací frekvenci. Obsahuje dále dva 12bitové D/A převodníky a tři vstupní a tři výstupní 8 bitové brány. Pro zajištění pravidelného vzorkování A/D převodníku jsou použity dva 16bitové čítače obvodu 8254. Třetí čítač tohoto obvodu je dostupný pro uživatele. Navíc je na vstupu umístěn programově řízený zesilovač vstupního napětí. Z popisu je zřejmé, že na rozdíl od klasického ISESu obsahuje tento systém moderní měřící kartu, která jistě nalezne všestranné využití při výuce. Ovládací panel je velice podobný ovládacímu panelu ISESu, obsahuje navíc ještě jeden 12bitový D/A převodník a jsou zde vyvedeny 4 bity výstupního portu. [ 3 ]
- 21 -
Měřicí panel ISESu profesionál
Vstupní kanály pro připojení čidel jsou označeny A až D, zbývající 4 vstupní kanály určené pro měření napětí 0 až 5 V jsou označeny G až J. Dva výstupní kanály jsou označeny jako E a F. Čtyři bity výstupního portu jsou označeny K, L, M a N. Všechna čidla ISESu je možné použít i se systémem ISES PROFESIONAL. Vlastní ovládací program zachovává co možná největší podobu s programem pro ISES, jen obsahuje další výstupní kanál. Spolehlivěji je také vyřešena detekce připojených čidel.
Program ISES
Řídící program systému ISES můžeme ovládat myší nebo pomocí klávesnice. Program také umožňuje data načíst z disku a nebo uložit na disk, provádět Zoom (zvětšené výřezy dat). Vcelku bohaté je menu režimu ZPRACOVÁNÍ: •
Odečet: Umožňuje ve zvoleném okně odečítat hodnoty z grafů, potřebujeme-li body označit.
•
Aproximace: Označenými body je možné proložit přímku, parabolu atd.
•
Integrál: Umožňuje výpočet plochy pod křivkou, meze volíme myší
•
Derivace: Vypočte hodnotu první derivace v jednotlivých bodech a zobrazí její průběh.
Program dále nabízí několik možností startování měření: •
Automatický start: měření začne hned po potvrzení (OK) a vykreslení os
•
Manuální start: po uzavření editačního okna a vykreslení os čeká systém na stisk libovolné klávesy.
•
Krokový start: měření proběhne v předem zvolených diskrétních krocích.
- 22 -
•
Trigger start: po uzavření okna s parametry měření musíme navolit parametry triggeru a to tak, že pohybem myši nastavíme šipku do bodu, ve kterém chceme, aby nastal start měření. Můžeme volit úroveň sepnutí a horizontální polohu tohoto bodu na grafu.
4.4 Control Panel
Jako příklad vývojového systému pro prostředí MS DOS si popišme vývojový systém Control Panel, který je české provenience a svojí strukturou patří mezi standardně vytvářené software pro vývoj měřících a řídicích aplikací v reálném čase. Lze říci, že je více orientován na průmyslové nasazení. V současné době je již distribuován ve verzi 6 pro operační systém MS Windows.
Aplikační programy v prostředí Control Panel pracují jako neprocedurální, událostmi řízené systémy kooperativních paralelních procesů. Aplikační program je strukturou propojených objektů a dat s vazbou na mnohonásobně sdílené části programového kódu. [ 4 ] Postup při návrhu vlastní aplikace je podobný konstrukci skutečných ovládacích, měřicích a indikačních panelů ve velínu nebo v rozvaděči. Všechny používané prvky jsou však pouze modelovány počítačem. Obslužný program zajišťuje pouze přes některou z průmyslových sběrnic sběr dat v reálném čase a jejich zobrazování, archivaci a prezentaci, matematické zpracování a vyhodnocování dat včetně generování potřebných řídících signálů směrem do technologického procesu. Se sběrnicemi nebo vstupně/výstupními kartami celý systém spolupracuje pomocí dynamicky linkovaných ovladačů. Systém plně podporuje grafické uživatelské rozhraní a dovoluje vytvářet ze standardně dodávaných prvků (graf, osciloskop, digitální panel, ručičkový panel, PID regulátor, . . .) celé vizualizační obrazovky. Ve vytvářené aplikaci je možno ošetřit mezní, poruchové, či jiné nežádoucí stavy, stanovit meze a rozsahy jednotlivých veličin, zajistit alarmová a bezpečnostní hlášení a protokoly, data archivovat a vyhodnocovat. Prvky, které nejsou standardní součásti systému, lze doprogramovat. [ 4 ]
- 23 -
Funkce základních stavebních prvků aplikace: Ovladač vstupně/výstupního zařízení zprostředkovává styk se sběrnicí a přes ni s průmyslovým procesem. Kromě ovladačů pro konkrétní typ sběrnic a VN karet jsou k dispozici i zvláštní ovladače pro odlaďování vytvářených aplikací bez připojení k procesu. •
Vstupní/výstupní/virtuální kanály slouží pro přenos dat mezi ovladači a virtuálními přístroji a pro předávání údajů mezi virtuálními přístroji navzájem. K dispozici je celá řada kanálů pro přenos celočíselných hodnot, reálných čísel i pro řetězce znaků a symbolů.
•
Panely slouží k vlastnímu vytvoření aplikace a k vizuálnímu seskupování virtuálních přístrojů do logických funkčních celků.
•
Virtuální přístroje - základní objekty vytvořené aplikace. Prostřednictvím virtuálního přístroje teprve dochází k vlastnímu zviditelnění a zpracování dat (měřící přístroje, matematické zpracování, grafy, ukazatele, přepínače, regulátory).
Vytvořená aplikace je přeložena do binárního kódu, ve kterém pracuje. Práce je z tohoto důvodu velice rychlá a je zlomkem časových konstant snímačů fyzikálních veličin. Za běhu aplikace je možné nastavovat parametry jednotlivých přístrojů, měnit jejich umístění v prostoru grafické obrazovky, zaznamenávat hodnoty sledovaných veličin do souboru nebo je tisknout, sledovat a odkrývat alarmová hlášení a vývoj situace. [ 4 ]
4.5 LabVIEW
Programový systém LabVIEW je firmou National Instruments vyvíjen od roku 1983. V roce 1986 byla dokončena verze 1 pro počítače Apple Macintosh, v roce 1990 verze 2 chráněná dvěma U.S. patenty. V září 1992 byla uvedena na trh verze LabVIEW for Windows pro počítače standardu IBM PC a LabVIEW for Sun. Od verze 4.0 se jedná o 32 bitový systém, který existoval ve variantách pro Windows 95 nebo Windows NT. V září 1997 byla uvolněna revize 4.1, která předchozí verzi
- 24 -
rozšiřovala zejména o tzv. "průvodce" známé např. z MS Office. Tyto průvodci umožňují rychlý vývoj aplikace. V roce 1998 byla na trh uvedena verze LabVIEW 5.0 pro počítače standardu IBM PC, která je určena pro WINDOWS NT, WINDOWS 95 i WINDOWS 3.1 .
Obecně
lze
LabVIEW
charakterizovat
jako
vývojový
systém
pro
programování měřicích (resp. řídicích) systémů na bázi IEEE 488, VXI, RS-232 nebo zásuvných měřicích desek, sběr dat a jejích následné zpracování a prezentaci. [ 5 ]
Jedná se o nejpropracovanější systém, který se stal průmyslovým standardem a inspiroval i tvůrce jiných vývojových prostředků. 0 tomto svědčí, že drivery pro tento vývojový systém dodávají i jiní výrobci měřicích prvků a software (např. Advantech, MetraByte).
Systém LabVIEW přistupuje k programování měřicích systémů zcela novým způsobem.
Místo
klasického
textově
orientovaného
programování
zavádí
programování grafické, při němž uživatel intuitivně vytváří tzv. virtuální přístroje (virtual instruments).
Virtuální přístroj je logický prvek reprezentující buď skutečný měřící přístroj, prvek měřícího (resp. řídícího) systému, případně celý měřící (resp. řídící) systém, nebo libovolný funkční blok pro zpracování dat. Skládá se z blokového diagramu, popisujícího činnost virtuálního přístroje, a čelního panelu (front panel), který funguje jako uživatelské rozhraní.
Vývoj virtuálního přístroje začíná návrhem čelního panelu, obsahujícího všechny požadované vstupy a výstupy v okně panelu (panel window). Použitelné vstupní i výstupní prvky se vybírají z nabídky Controls nebo palety Controls a rozmísťují pomocí myši na pracovní ploše okna. Pokud uživateli nevyhovuje velikost, popisy, měřítka či jiné atributy vybraných prvků, může je rychlým a jednoduchým způsobem editovat pomocí myši a pomocí sady nástrojů reprezentovaných ikonami pod základním menu v horní části pracovního okna.
- 25 -
Po ukončení návrhu čelního panelu uživatel pokračuje v okně diagramu (diagram window) tvorbou blokového diagramu virtuálního přístroje. V tomto okně se již nacházejí ikony, které odpovídají prvkům použitým na čelním panelu (ikony se generují současně s vložením nového prvku do okna panelu). Diagram se vytváří z grafických prvků obsažených v nabídce Functions. Nabídka je velmi široká a obsahuje kromě množiny datových objektů, programových struktur, operací a funkcí grafického jazyka G i subnabídky knihoven virtuálních přístrojů pro zpracování dat, komunikaci prostřednictvím standardizovaných sběrnic (IEEE 488, VXI, RS-232) a ovládání zásuvných měřících desek a rovněž subnabídku s virtuálními přístroji vytvořenými uživatelem. Jednotlivé grafické prvky (bloky) se graficky propojí ve směru toku dat, případně se vybrané části blokového diagramu zařadí do vybraných programových struktur (např. cyklů). Tím je základní fáze tvorby virtuálního přístroje ukončena a lze přistoupit k jeho vyzkoušení. Spuštění se provádí pomocí speciální ikony tvaru šipky (Run button) umístěné pod základním menu. Uložení virtuálního přístroje na disk se realizuje standardním způsobem ze základního menu (položka File). V případě chybné činnosti je možné běh virtuálního přístroje krokovat nebo trasovat (lze nastavit body přerušení).
Virtuální přístroj může obsahovat, jak již bylo naznačeno, dříve vytvořený virtuální přístroj hierarchicky nižšího řádu a naopak může být použit při tvorbě virtuálního přístroje hierarchicky vyššího řádu. Tento mechanismus se může opakovat, přičemž hloubka takto vzniklé hierarchické struktury je omezena pouze technickými možnostmi použitého počítače. Aby bylo možné vlastní virtuální přístroj univerzálně (tzn. při vývoji dalších přístrojů) používat, je nezbytné vytvořit ikonu (icon) a konektor (connector). Konektor definuje vstupy a výstupy daného virtuálního přístroje a ikona ho graficky reprezentuje v blokovém diagramu nového přístroje.
Program vytvořený v LabVIEW se od běžných programů odlišuje při vlastním běhu tím, že využívá tzv. řízení tokem dat (data-flow programming). Běh programu není řízen sekvenčně, jak je tomu u programů psaných ve většině textově orientovaných jazyků, ale řídí se připraveností všech dat, která jsou zapotřebí k
- 26 -
provedení určité akce. Znamená to, že ke spuštění činností bloku dojde až v okamžiku, kdy jsou na všech jeho vstupech připravena vstupní data. Na výstupech bloku se výstupní data objeví až po ukončení jeho činnosti. Bez problémů je proto možné v diagramech vytvářet paralelní cesty toku dat, specifikovat simultánní operace a spouštět několik virtuálních přístrojů současně.
Virtuální přístroj lze spouštět bud' v prostředí LabVIEW nebo v tzv. Run time systému. Jedná se prakticky o prostředí LabVIEW bez možnosti tvorby a editace virtuálních přístrojů.
Od verze 4.0 LabVIEW umožňuje vytvářet EXE tvar virtuálního přístroje. Požadavky LabVIEW for Windows verze 4.0 na technické a programové vybavení osobního počítače, orientační přehled podporovaných technických prostředků pro měření a stručný seznam dodávaných knihoven uvádí následující souhrn.
Požadavky na počítač. Minimální počítač je PC 386/25 s 387 koprocesorem, ale 486 nebo Pentium je velmi doporučováno. LabVIEW potřebuje minimálně 8 MB RAM a 30 MB místa na disku pro vlastní systém všechny příklady a kompletní online nápovědu.
Systém je dodáván v těchto provedeních pro platformu PC: LabVIEW for Windows NT/Intel tato verze má výhody 32-bitové architektury a plochého (flat) paměťového modelu Windows NT s vysokým výkonem a bezpečností. Podporuje NTFS souborový systém. LabVIEW pro Windows NT běží na procesorech Intel a potřebuje Windows NT 3.5 nebo vyšší. LabVIEW for Windows 95 tato verze využívá přátelského uživatelského rozhraní Windows 9S. LabVIEW má také výhody 32-bitové architektury a plochého paměťového modelu a větší rychlosti operačního systému. LabVIEW pro Windows 95 může volat 32-bitové DLL, lze je tvořit ve standardním 32bitovém překladači. LabVIEW podporuje Drag&Drop (táhni a pust'), a OLE mezi virtuálními přístroji a dalšími aplikacemi. Rozhraní pro externí procedury využívá Code Interface
- 27 -
Developer's Kit pro standardní 32-bitové C překladače (Microsoft, Borland, Symantec nebo Watcom). LabVIEW for Windows 3.1. LabVIEW pro Windows může volat 16-bitové DLL a tak využít existující prvky. Tato verze LabVIEW potřebuje Windows 3.1 nebo vyšší. Jestliže je třeba použít Code Interface Developer's Kit je potřeba mít Watcom C překladač pro 32-bitový kód.
Dodávané knihovny virtuálních přístrojů LabVIEW for Windows se dodává bud` v maximální (Full Development System) nebo minimální konfiguraci (Base Package). Maximální konfigurace obsahuje knihovny pro ovládání rozhraní IEEE 488 (GPIB Virtual Instrument Library) a RS-232 (RS-232 Virtual Instrument Library), měření resp. řízení prostřednictvím zásuvných měřících desek (Data Acquisition Virtual Instrument Library) a matematickou analýzu (Analysis Virtual Instrument Library). Mimořádně rozsáhlá je zejména knihovna matematické analýzy skládající se ze čtyř částí: číslicového zpracování signálu (zpracování signálu ve frekvenční a časové doméně, generování signálu), číslicových filtrů (okénkové funkce, filtry typu IIR a FIR, nelineární filtry), numerické analýzy a statistické analýzy.
V maximální konfiguraci je také dodáván tzv. Code Interface Developer‘s Toolkit umožňující zařazení externě vytvořených programových modulů do struktury blokového diagramu LabVIEW. Base Package obsahuje knihovny GPIB, RS-232 a Data Acquisition ve stejném rozsahu jako Full Development System. Knihovna pro matematickou analyzuje výrazně zredukována. Přístrojová knihovna je dodávána v rozsahu specifikovaném zákazníkem a může být kdykoliv rozšířena. Aktuální nabídka jednotlivých přístrojových ovladačů se rozšiřuje každé tři měsíce a zákazník si ji může kdykoliv od firmy vyžádat. Nabídka pokrývá podstatnou část přístrojové měřicí techniky renomovaných světových výrobců. [5] Z uvedeného popisu vyplývá rozsáhlost systému LabVIEW, který pokrývá celou oblast měření a analýzy dat
- 28 -
5. PROJEKT Zadání projektu Cílem mé práce bylo sestavit a prakticky ověřit experimentální úlohy, ve kterých se dají uplatnit systémy popisované v předchozí kapitole. Jako nejvhodnější pro použití těchto experimentů jsem si zvolil systém ISES Profesional. Tímto výběrem jsem si předem předurčil, že práce bude tématicky
směřovat
k experimentům zaměřeným a elektroniku. Cílem není dosažení co nepřesnějších výsledku měření, ale názorná ukázka možností, které nám použití automatizovaného systému nabízí. Každá úloha je stručně popsána a také se zde pokouším o interpretaci naměřených výsledků.
5.1 Elektronika v praktiku
5.1.1
Měření V-A charakteristik
Pomocí volt-ampérových charakteristik lze velice názorně popsat chování diskrétních součástek v elektronice a to jak jednobranů tak i vícebranů.. V-A charakteristika je závislost elektrického proudu na přiloženém napětí v elektrickém obvodu měřené součástky jejíž průběh se vykreslení do grafu.To ve kterém kvadrantu grafu se křivka nachází a její tvar a průběh pak velmi názorně popisuje chování v obvodu. Při klasickém proměřování V-A charakteristik se nejprve získají jednotlivé hodnoty proudu příslušející přiloženému napětí a pak se sestrojí grafy. Použijeme li automatizovaný systém dá se V-A charakteristika proměřit a sestrojit neporovnatelně snadněji a za kratší dobu! Dá se předpokládat že i měření je přesnější. Hlavní myšlenkou je použití zdroje pilového průběhu napětí. Takový zdroj dokáže lineárně měnit svoji hodnotu napětí s časem v intervalu předdefinovaných hodnot. V-A charakteristiku pak dokážeme sestrojit v průběhu jedné periody. Dobu trvání periody si rovněž můžeme volit počínaje setinami sekundy až do desítek sekund.
- 29 -
Zadání: Změřte V-A charakteristiku polovodičové usměrňovací a zenerovy diody pomocí Inteligentního školního experimentálního systému ISES. Cíl: Demonstrovat závislost proudu tekoucího diodou ID na přiloženém napětí UAK. Pomůcky: modul voltmetr, modul ampérmetr, modul booster, externí zdroj symetrického napětí ± 12 V, polovodičová usměrňovací dioda (libovolný typ ), zenerova dioda ( souprava základních elektronických prvků ).
Schéma:
Provedení Sestrojíme měřící obvod. Diodu zapojíme v propustném směru a dodržujeme polarity připojených modulů. Pokud použijeme k posílení proudu v obvodu modul booster je vhodné zapojit sériově do obvodu ochranný rezistor. V ovládacím programu nastavíme celkový čas měření v rozmezí 1 – 10 sekund. ( při delších časech se V-A charakteristika vykresluje pomaleji, výsledný graf je stejný, na konečný výsledek v tomto měření tento parametr nemá vliv ). Vzorkovací frekvence postačuje 100 Hz. Do vstupního kanálu A připojíme modul voltmetr - rozsah ± 5V, do vstupního kanálu B modul ampérmetr - rozsah ± 0,5A. Do výstupního kanálu E připojíme modul booster, nastavíme přes ovládací programové rozhraní “ pilové napětí pro VA “ s parametry min = -5V, max = 5V. Zobrazovat budeme závislost
- 30 -
proudu tekoucího diodou ID – osa Y na napětí UAK – osa X. Ve zobrazení tedy navolíme “zobrazení typu X-Y“ a to závislost kanálu B na kanálu A. Start měření zvolíme automatický. Po potvrzení volby se nám zobrazí rozvržení grafu a zároveň se započne s měřením. Pokud jsme si zvolili předem delší čas měření, tak nyní budeme mohli pozorovat postupné vykreslování V-A charakteristiky do grafu. Upozornění V měření používáme modul booster díky němuž můžeme dosahovat v obvodu výstupního proudu až 1 A. Toto je potřeba při měření zohlednit a volit buď dostatečně dimenzované součástky - co je ne vždy možné a nebo sériově do obvodu zapojit ochranný rezistor díky němuž lze omezit maximální protékaný proud. Rovněž dalším řešením je k napájení modulu booster použít zdroj s proudovým omezením a nebo v ovládacím programu volit rozsah napětí, které nevyvolá v součástce proudové (výkonové) přetížení - což je ovšem dosti nepraktické a požaduje větší zkušenost.
Naměřená V-A charakteristika diody KY 103/150
- 31 -
Zpracování a vyhodnocení měření Pokud byl postup správný, tak tvar V-A charakteristiky má zhruba odpovídat naměřené charakteristice na grafu. Hlavním úkolem v tomto měření pro nás interpretace naměřené V-A charakteristiky. Máme -li zvoleno vhodné měřítko můžeme pomocí kurzoru přímo odečítat z grafu příslušné hodnoty na charakteristice v režimu zpracování dat.
Vysvětlení Z naměřené V-A charakteristiky usměrňovací diody je zřejmé, při jakých napětích usměrňovací diodou protéká proud. Budeme li nyní zpětně procházet celou křivku od počáteční hodnoty napětí (- 5 V) , je vidět, že až asi do hodnoty menší než 0,6 V diodou neprochází žádný proud. Pak přibližně při napětí 0,6 V dojde k náhlé změně a proud začíná lineárně narůstat. Tato hodnota je u polovodičových součástek důležitá a nazývá se prahové napětí.
Další část měření - Zenerova dioda Nyní usměrňovací diodu nahradíme diodou zenerovou a provedeme znovu měření při shodných parametrech. Výsledkem měřením bude V-A charakteristika zenerovy diody.
Vyhodnocení a interpretace naměřené charakteristiky Srovnáme-li část charakteristiky příslušející kladnému napětí, tak se nijak neodlišuje. Ovšem pro záporná napětí již neplatí to co pro diodu usměrňovací. Postupujme nyní pro lepší výklad od nuly směrem k zápornějším hodnotám napětí. Do určité hodnoty napětí, v tomto případě asi -2,5 V neteče diodou žádný proud. Půjdeme li ale dále po charakteristice směrem k zápornějším hodnotám tak vidíme že se vzrůstajícím záporným napětím taktéž vzrůstá i proud až do hodnoty určitého napětí - nazvěme ho UZ . Od této hodnoty již vzrůstá jen proud v obvodu a napětí se ustálilo na konstantní hodnotě. Tahle vlastnost předurčuje zenerovu diodu v praktických aplikacích jako nejjednodušší stabilizační prvek napětí v elektrickém obvodu. Část charakteristiky pro kladná napětí nemá v praxi využití.
- 32 -
Naměřená V-A charakteristika zenerovy diody KZ 140/3V
5.1.2
Měření na diodovém usměrňovači
Usměrňovač je elektrické zařízení, které se používá k přeměně střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný. Protože elektronické obvody ke své činnosti obvykle potřebují stejnosměrný proud a k distribuci elektrické energie se využívá proud střídavý, bývá usměrňovač součástí většiny elektrických přístrojů, napájených z elektrické sítě.
Zadání: Sestrojte jednocestný a dvojcestný usměrňovač střídavého elektrického napětí, změřte průběhy napětí před a po usměrnění. Zařaďte do obvodu vyhlazovací kondenzátor a proveďte srovnání všech průběhů napětí.
- 33 -
Cíl: Demonstrovat jednocestné a dvojcestné usměrnění střídavého napětí. Ukázat vyhlazení střídavého napětí pomocí vyhlazovacího kondenzátoru. Pomůcky: modul voltmetr, usměrňovací dioda, Graetzův můstek (souprava základních elektronických prvků), elektrolytický kondenzátor ( 10 – 500 µF) Schéma:
Jednocestné usměrnění
Dvojcestné usměrnění
Provedení: V ovládacím programu nastavíme celkový čas měření 10s a vzorkovací frekvenci 100 Hz. Ke kanálu A připojíme voltmetr a k výstupnímu kanálu E modul booster ( tím zvýšíme amplitudu vstupního střídavého napětí ). Na výstupním kanále nastavíme sinusoidu s amplitudou 5 V, počet period 10. Voltmetr nastavíme na rozsah 10V
s nulou
uprostřed.
Sestavíme
nejprve
měřící
obvod
s jednocestným
usměrňovačem – diodu sériově připojenou k zatěžovacímu odporu Rz připojíme ke zdroji střídavého napětí – kanál E. Usměrněné napětí měříme voltmetrem na zatěžovacím odporu. Poté sestavíme obvod pro měření usměrnění s Graetzovým můstkem. Střídavé napětí připojíme na svorky označené symbolem “ ~ “ a usměrněné napětí měříme na zatěžovacím odporu připojeném ke zvorkám
“ + ; - “ . Parametry výstupního
kanálu zachováme shodné pro lepší srovnání naměřených průběhů. V poslední část tohoto měření zapojíme k zatěžovacímu odporu ještě filtrační elektrolytický kondenzátor. Dáváme pozor na polaritu ! – elektrolytické kondenzátory mají předem určenou polaritu elektrod. Můžeme zkusit kombinace různých
- 34 -
zatěžovacích odporů a hodnot kapacity filtračních kondenzátorů na výsledném průběhu napětí na zátěži. Parametry výstupního kanálu rovněž zachováme. Všechny výstupy z měření – průběhy napětí si po každém měření uložíme abychom v dalším kroku mohli přistoupit k vyhodnocení výsledků.
Naměřené průběhy:
Jednocestné usměrnění
- 35 -
Dvojcestné usměrnění
Dvojcestné usměrnění se zařazeným filtračním kondenzátorem
- 36 -
Vyhodnocení měření Jednocestný usměrňovač – jde o nejjednodušší zapojení, propouští jen jednu půlvlnu z periody zdroje. Má tedy nižší účinnost. Frekvence zvlnění výstupního napětí je rovna frekvenci zdroje napětí. Z charakteristiky lze taky vyčíst pokles amplitudy napětí na zátěži v usměrněném obvodu způsobeného úbytkem napětí na diodě. Dvojcestný usměrňovač – Graetzův můstek. Jde o můstkové zapojení 4 diod. Propouští obě půlvlny periody zdroje, má tedy větší účinnost. Ovšem úbytek napětí na usměrňovači je dvojnásobný způsobený můstkovým zapojením diod. Frekvence zvlnění výstupního napětí je dvojnásobná oproti frekvenci zdroje. Zařadíme – li do obvodu filtrační kondenzátor tak lze pozorovat pokles amplitudy zvlnění usměrněného napětí. Zvlnění je tím menší, čím větší je kapacita kondenzátoru a čím menší je proud procházející zatěžovacím odporem.
5.1.3
Rezonanční křivka
Princip měření rezonančních křivek v automatizovaných systémech tkví v použití střídavého sinusového průběhu napětí s konstantní amplitudou a plynule vzrůstající frekvencí – tzv. rozmítač. Napětí a proud v obvodu se měří pomocí měřících přístrojů propojených s řídícím systémem který také generuje průběh napětí a v reálném čase se dokáže vykreslit jeho závislost na okamžité frekvenci zdroje.
Zadání: Proměřte a graficky znázorněte rezonanční křivku sériového zapojení cívky a kondenzátoru a rezistoru. Cíl: Zobrazit rezonanční křivku a demonstrovat prudký nárůst amplitudy v blízkosti vlastní frekvence RLC obvodu.
- 37 -
Pomůcky: modul ampérmetr, kondenzátor 20 µF, cívka 1 H ( souprava základních elektronických prvků ).
Provedení: V programu nastavíme celkový čas měření 1 sekunda a vzorkovací frekvenci 4000 Hz. Ke kanálu A připojíme ampérmetr a výstupní kanál E použijeme jako rozmítač napětí. Parametry výstupního napětí nastavíme: f1 = 0 , f2 = 500, amplituda 1V.
Ampérmetr nastavíme na rozsah 10 mA s nulou uprostřed. Cívku
s kondenzátorem v sérii připojíme ke zdroji ( rozmítači – kanál E ). Ampérmetrem měříme proud v obvodu. Ten je při frekvencích odlišných od vlastní frekvence LC obvodu velmi malý, avšak v blízkosti tzv. rezonanční frekvence prudce vzroste . V sériovém RLC obvodu je hodnota proudu maximální pro frekvence
ω = ω 0 2 − 2λ2 , kde λ =
R a ω0 = 2L
napětí je pro tyto frekvence minimální.
Schéma:
1 L ⋅C
(Thompsonův vztah ). Naopak hodnota
- 38 -
Naměřená rezonanční křivka:
Vyhodnocení měření:
Horní část grafu znázorňuje průběh proudu v sériovém RLC obvodu v závislosti na měnící se frekvenci zdroje. Výsledkem měření je frekvence při níž je amplituda proudu v obvodu největší. V tomto případě odpovídá 210 Hz. Další informací nám dává tvar rezonanční křivky. Čím je nárůst proudu v obvodu strmější, tím je rezonanční obvod kvalitnější. Měřítkem strmosti je selektivita . Vyjadřuje tedy míru potlačení signálů kmitočtů rozdílných od kmitočtu rezonančního, čili výběrovou schopnost rezonančního obvodu. Dolní část grafu je průběh napětí zdroje - rozmítače. Vidíme na něm že má konstantní amplitudu a jeho frekvence se s časem zvětšuje.
- 39 -
5.2 Skládání kmitů
Je li systém lineární, platí princip superpozice a lze kmity skládat. Pro skládání kmitů ve stejném směru vznikají pro 2 blízké frekvence rázy, pro skládání kmitů ve 2 navzájem kolmých směrech vznikají pro frekvence poměru malých celých čísel lissajousseovy obrazce.
Zadání: Proveďte skládání 2 stejnosměrných kmitů, jako zdroj použijte ladičky 2
blízkých frekvencí Cíl: Demonstrovat vznik rázů Pomůcky: modul mikrofon, 2 ladičky
Provedení:
V programu nastavíme celkový čas měření asi na 0,05 sekundy a maximální možnou vzorkovací frekvenci ( 4000 Hz ). Ke kanálu A připojíme modul mikrofon. Nejprve změříme vlastní frekvenci pro každou ladičku – odečteme z grafu – obdoba osciloskopického měření ( časová základna v tomto případě je rovna nastavenému celkovému času měření ). Poté postavíme ladičky proti sobě a do prostoru mezi ozvučnými skříněmi vložíme mikrofon. Změníme čas měření na 1 sekundu a ladičky rozezvučíme.
Naměřené průběhy:
ladicka 1 (435 Hz)
ladicka 2 (440 Hz)
- 40 -
Rázy
Detailní zvětšenina
- 41 -
Vyhodnocení měření :
Naměřené frekvence ladičky s jmenovitou frekvencí 435 Hz je 437 Hz a ladičky s jmenovitou frekvencí 440 Hz je přesně 440 Hz. Naměřené frekvence rázů je 3 Hz. Máme-li 2 kmity u1 = U ⋅ sin (ω1t ) a u 2 = U ⋅ sin (ω 2 t ) , pak výsledné kmitání ω t + ω2t ω t + ω2t bude mít tvar u = 2 ⋅ A ⋅ sin 1 ⋅ cos 1 2 2
. Jsou-li tyto kmity blízké
frekvence je to doprovázeno vznikem charakteristických rázů které můžeme pozorovat sluchem jako periodicky se opakující poklesy hladiny intenzity zvuku. [7]
- 42 -
6. ZÁVĚR Základním cílem práce bylo vytvořit úlohy s počítačem podporovanými měřícími systémy a s možnostmi simulací fyzikálního prostředí a jevů. Podrobněji je prezentován systém ISES na elektronických experimentech s podrobným výkladem a vyhodnocením.
- 43 -
7. POUŽITÁ LITERATURA [ 1 ] Doc. Ing. Pavelek M., CSc. a Ing. Štětina J. : Experimentální metody v technice prostředí . Brno, VUT 1997 [ 2 ] Dvořák L., Ledvinka T., Sobotka M. : Famulus 3.5 – Příručka uživatele. Jihlava, Wimpy 1992 [ 3 ] Lustig F. Lustigova Z., Vlášek P. : Školní experimentální systém ISES – příručka k souprave, Praha, červen 1992 [ 4 ] www.mii.cz -
15.3.2007
[ 5 ] http://www.ni.com/labviewse/ 20.3.2007 [ 6 ] Lustig F., Lustigová Z., Fyzikální experimenty se systémem ISES [ 7 ] http://ises.info 22.3.2007
