Měření počítačem pomocí multimetru METEX Úvod: Počítač je výkonný pracovní prostředek, nyní již dosti rozšířený. Od původního určení k výpočtům zvládl mnoho různých činností ve všech oborech lidské práce, inženýrskou činnost nevyjímaje. Může sloužit při měření, řízení, automatizaci laboratorních prací i řízení experimentů. Podmínkou je komunikace počítače s měřícími přístroji, s čidly (senzory) a s akčními orgány. S tímto vybavením lze počítač považovat za univerzální měřicí přístroj. Na druhé straně počítače pronikly (hlavně svými obvody) do měřicích přístrojů. Vzniklo celé odvětví inteligentní (smart) měřicí techniky, kde přístroje umožňují nejenom měřit, ale i provádět autokalibraci. kontrolovat svou činnost, diagnostikovat poruchy, mají schopnost zpracovávat naměřená data, schopnost paměti, programování činnosti a umožňují komunikaci. Možnosti připojení měřicího přístroje k počítači závisí na celé řadě okolností a požadavků. Předně je to tok informací, jednosměrný nebo dvousměrný. Dále přistupuje požadavek počtu měřicích míst (informačních kanálů), rozsah informace (rozlišení) a rychlost měření. Dále je třeba uvažovat potřebný zásah do počítače a možnost připojení. Připojené měřicí přístroje (nebo senzory) musí mít elektrický výstup. Je možné zpracovávat napětí, proud, odpor, kapacitu, indukčnost, frekvenci či impulsy. Jiné fyzikální, chemické a stavové veličiny se na tyto signály převádějí. Výrobci měřicí a laboratorní techniky už nyní vybavují své výrobky standardním komunikačním rozhraním. Vývoj techniky spěje od výrobků pro ruční obsluhu s možností připojení k počítači přes výrobky s možností činnosti v ručním i počítačovém režimu ke specializovaným výrobkům, komunikujícím s počítačem bez možnosti ruční obsluhy. Z výše naznačeného vyplývá, že požadované úkoly nebude schopen zabezpečovat jediný systém. Používá se proto více způsobů zapojení lišících se svými možnostmi, výhodami a nevýhodami, složitostí i cenou. 1. Nejjednodušším zařízením jsou převodníky a přístroje, komunikující s počítačem přes sériové rozhraní počítače. Tato zařízení nevyžadují žádný zásah do počítače. Jsou velmi jednoduchá a levná, směr komunikace je někdy jen jednosměrný. Uplatňují se všude tam, kde nejsou velké nároky na množství zpracovávaných informací ani na jejich rychlost. Stejným způsobem se napojují i mnohé přístroje v chemických laboratořích. Naměřené informace zaznamenává softwarové vybavení počítače pro průběžné nebo následné zpracování a prezentaci. 2. Dalším druhem zařízení jsou měřicí karty vybavené A/D převodníky. Tyto měřicí karty jsou specializované výrobky, které se napojí na sběrnici počítače; zasunou se do zásuvných lišt základní desky PC a s okolím komunikují pomocí konektorů na zadní straně počítače. Konstrukce karet je součástkově závislá, musí umožňovat komunikaci s příslušnou sběrnicí a mikroprocesorem. Je třeba provést změnu v konfiguraci počítače umožňující komunikaci s touto kartou. Tyto karty obsahují A/D převodník s určitým počtem bitů, určujících rozlišitelnost měření. Obsahují také multiplexor umožňující v časové následnosti přepínat 8, 16 nebo jiný počet měřicích míst. Obsahují také digitální vstupy umožňující přijímat dvouhodnotové signály (signalizace stavů), měřit počet impulsů či frekvenci nebo přijímat číslicovou informaci. Tyto karty obsahují také D/A převodník pro výstupní analogové signály a mají též digitální výstupy pro ovládání přepínačů, kohoutů ap. Tyto karty umožňují dvousměrnou komunikaci, tedy i řízení a vedení experimentů. Záznam a zpracování naměřených údajů a řídících informací může zajišťovat i běžný software. Používá se též software specializovaný pro měřicí, analytické a prezentační účely. Vyspělý software je schopen programovou cestou konfigurovat měřicí řetězce, regulační obvody, zpracování i presentaci pomocí oken. Tyto karty jsou v programu mnoha výrobců, liší se hlavně rychlostí a velikostí přenášené informace. 3. Jiným typem napojení je komunikace pomocí standardní komunikační sběrnice GPIB (General Purpose Interface Bus). Tato sběrnice se také vyskytuje pod dalšími názvy: IMS-2, HP-IB, IEEE488 a IEC625.1. Jedná se o paralelní přenos informací ve znakovém formátu pomocí 8 bitů (8 vodičů). Mimo datové signály jsou zde signály řízení stykového systému a signály řízení přenosu dat a jim odpovídající vodiče. Komunikace probíhá oběma směry, vždy je určen jeden mluvčí a jeden nebo více posluchačů. Počítač i přístroje musí mít zabudován interface, umožňující komunikaci pomocí této sběrnice. Tato sběrnice je definovaná elektrickými stavy a není součástkově závislá. Běžné počítače tuto možnost nemají, i když v jejich návrhu je s touto možností počítáno. Proto se do nich zabuduje karta umožňující tuto komunikaci pomocí této sběrnice. Dnešní elektronické měřicí přístroje již mají možnost komunikace pomocí GPIB. Patří sem multimetry, voltmetry, měřiče RLC, čítače, ale také zdroje,
generátory, přepínače měřených míst a další. Pro chemické laboratoře je třeba převést údaje čidel na elektrický signál. Zařízení může být řízeno programem ve vyšších programovacích jazycích (Basic, Pascal, C nebo specializovaným softwarem umožňujícím sběr, zpracování, analýzu i presentaci dat, řízení experimentu a vyhotovení protokolu z měření.
Multimetr METEX M3850: Multimetr je univerzální digitální měřicí přístroj. Uvedený typ má 3,75 místný displej, což znamená, že poslední tři číslice může zobrazovat od 0 do 9, první číslici jen od 0 do 4. Přístroj má také automatickou volbu rozsahů a možnost přenášení měřené informace do PC pomocí sériového kanálu s napěťovými úrovněmi podle RS232. Multimetr umožňuje měřit napětí i proudy, stejnosměrné a střídavé, měřit odpor, kapacitu, frekvenci, umožňuje měřit teplotu termoelektrickým článkem K, měřit teplotu v místnosti polovodičovým senzorem, měřit logické signály a vlastnosti diod i tranzistorů. Mimo číslicového displeje má přístroj řadu 43 segmentů, umožňujících zobrazovat měřenou veličinu v analogové formě jako ukazovatel pod stupnicí. Přístroj M3850 je uveden na obr. l vlevo s vysvětlením funkce jednotlivých ovládacích prvků. 1. Síťové tlačítko ON/OFF 2. Funkční tlačítko FUNCTION 3. Tlačítko nastavení SET/RESET 4. Tlačítko ss/st DCΩ//AC ((o)) 5. Tlačítko nahoru UP
'
6. Tlačítko dolů DOWN 7. Tlačítko osvětleni 8. Patice pro tranzistory 9. Patice kondenzátor/ termočlánek 10. Kruhový přepínač 11. Zdířka 20A 12. Zdířka mA 13. Společná zdířka COM 1 4 Zdířka V/Ω 15. LCD (3,75 digit, Max 4000) 16. Analogový ukazovate1 17. Analogová stupnice
Obr.l. Ovládací prvky M3850
Vzhled displeje přístroje M3850 a funkce jednotlivých Indikátorů je vysvětlena na obr.2. Přehled tlačítkových operací přístroje M3850 je vysvětlen na obr.3. Obsluha přístroje M3850: Měřená veličina se vybírá pomocí kruhového přepínače, případně i tlačítkem DC/AC. Pak se zapíná měřicí přístroj tlačítkem ON/OFF. Tlačítkem FUNCTION se volí požadované funkce postupně v cyklu: A-H, D-H, MIN, MAX, REL, MEM, RCL, R-H, COM, DUAL, CMP. Výběr funkce se provádí tlačítkem SET/RESET případně i v kombinaci UP, DOWN.
18. Indikace přetížení OL
l9. Podrž hodnotu Auto-Hold 20. Podrž údaj Data-Hold 21. Minimum MIN 22. Maximum MAX 23. Relativní změna REL 24. Paměť MEMORY 25. Vyvolání paměti RCL 26. Podrž rozsah Range-Hold 27. Dvojitý displej DUÁL 28. Komunikace COM 29. Porovnání CMP 30. Číslo adresy (paměti) 31. Test diody 32. Střídavý proud nebo napětí 33. Test průchodnosti signálu 34. Záporná polarita 35. Frekvence 36. Teplota 37. Kapacita 38. Tranzistor hFE 39. Test logického signálu 40. Druhý displej 41. Indikace vybití baterie 42. Ostatní indikace
Obr.2. Displej M3850
Nastavení přístroje pro měření teploty: Zapojte termoelektrický článek do zdířek 9 (obr.l). Kruhový přepínač 10 nastavte na TEMP. Zapněte přístroj tlačítkem ON. Měřicí přístroj napojte na počítač speciální spojovací šňůrou. Tlačítkem FUNCTION volte na přístroji funkci COM (komunikace). Spuštění komunikace přístroje se provádí znakem "D", poslaným z počítače do přístroje M3850. Od této chvíle generuje měřicí přístroj datové slovo, tvořené řadou čtrnácti znaků, z nichž poslední je CR. což znamená přechod na nový řádek. Při měření teploty mají data formát: "TM 0027 CCR". Tato data musí odebírat počítač, jinak dojde k přeplnění vyrovnávací paměti. Datové slovo je tvořené znaky v ASCII, tedy v kódu pro komunikaci, každý znak je tvořen posloupností 7 bitů. Těchto 7 bitů každého znaku je posíláno po jednom signálním vodiči za sebou mezi startovacím bitem a dvěma stop bity. Odtud pochází název sériový přenos dat. Příklad programu v jazyku BASIC, umožňující komunikaci, tedy přenos dat:
10 OPEN „COM2:1200,N,7,2,RS,CS,DS,CD" FOR RANDOM AS #1 20 A$ = "D" 30 PRINT #1, A$; 40 IN$ = INPUT$(14, #1) 50 PRINT IN$ 60 CLOSE #1 70 END
PRÁCE MT: Měření teploty multimetrem METEX M3850 napojeným na PC přes sériové rozhraní. Laboratorní zařízení: Osobní počítač, multimetr METEX M3850, spojovací šňůra pro sériový přenos, termoelektrický článek K se zástrčkou, skleněné jímky termoelektrického článku, zkumavka, kádinky.
Zadání práce: 1. Sestavte a oživte měřicí zařízení. Vyzkoušejte multimetr pro měření teploty. Napojte multimetr na počítač. Vyzkoušejte měřicí zařízení pomocí obslužného programu. 2. Vyzkoušejte činnost měřicího zařízení řídicími programy v BASICu. 3. Proveďte měření průběhu simulovaného teplotního děje. Naměřené údaje uložte do souboru. 4. Naměřené údaje ze souboru zpracujte programem EXCEL. Vytvořte tabulku naměřených hodnot a zpracujte graf.
Pracovní postup: 1. Nastavte multimetr pro měření teploty podle návodu v popisu. Vyzkoušejte funkci sevřením měřícího konce mezi prsty. Proveďte napojení měřicího přístroje na počítač, iniciujte funkci COM u měřícího přístroje a spusťte soubor D:\PREV\MET\METEX.EXE. Viz příloha 2. 2. Programy v BASICu jsou uloženy jako soubory v D:\PREV\MET\METX.BAS. kde X je číslice z {1 až 5}. Programy se spouští interpretem QBASIC z kořenového adresáře C:\. Vyhledá se příslušný soubor a spustí pomocí návodu v příloze 1. Soubor MET1.BAS: 10: Iniciace sériového přenosu v COM2, označeného jako "soubor 1". 20-30: Poslání znaku "D" do měřícího přístroje, iniciace přenosu dat. 40: Sejmutí dat ze "souboru 1", řetězec o velikosti 14 znaků. 50: Zobrazení dat na obrazovce monitoru. 60-70: Dva prázdné řádky. 80: Uzavření "souboru 1", konec přenosu dat. 90: Konec programu. Opakujte několikrát sejmutí naměřených dat a pozorujte zobrazená data. Někdy dochází ke spuštění přenosu dat i uprostřed skupiny přenášených znaků. Nelze-li zobrazený formát použít, měření se zopakuje. Soubor MET5.BAS: Tento program umožňuje provést řadu měření. Zadává se počet měřených bodů a interval měření. Měření se spouští tlačítkem "a". Řízení časového průběhu měření se provádí pomocí funkce TIMER. Na monitoru se postupně zobrazují naměřená data, která se současně zapisují do souboru DATA.DAT. Tento soubor dat se později použije pro další zpracování. 3. Termoelektrický článek K se vloží do skleněné jímky pro měření teploty kapaliny. V tomto uspořádání je možno měřit jakýkoliv průběh teploty. V našem experimentu budeme proces pouze simulovat. Proveďte měření pro 50 bodů s intervalem měření 5 s. Do větší kádinky dejte studenou vodu asi do poloviční výšky. Do zkumavky nalijte asi 1 ml vody a ohřejte k varu a vložte do menší prázdné kádinky. Po spuštění měření pak těsně po zobrazení druhého měřeného údaje vložte skleněnou jímku s termočlánkem do zkumavky s horkou vodou. Začne probíhat přechodový děj a současně jeho měření. Dynamika děje je
dána tepelnou kapacitou skleněné jímky s článkem a odporem proti přestupu tepla z horké kapaliny do jímky. Měření nechte probíhat až do ustálení teploty. Pozorujte průběh měření. Jakmile se zaznamenají tři stejné údaje teploty za sebou (nebo dokonce začne teplota klesat), vložte zkumavku s horkou vodou i s teploměrnou jímkou do kádinky se studenou vodou. Začne probíhat chlazení, jehož dynamika je dána tepelnou kapacitou zkumavky s horkou vodou (včetně jímky s termočlánkem) a přestupem tepla ze zkumavky do studené vody. Po skončeném měření proveďte kontrolu a zobrazení (výpis) datového souboru na monitor pomocí prostředků DOSu, příkazem TYPE DATA.DAT|MORE . Příloha 1: Práce s programy v Quick BASICu Programy mají příponu BAS. Musíme znát název souboru a jeho umístění ve struktuře adresářů. Spuštění Quick BASICu Vstup na kořenový adresář C:\ Příkaz QBASIC Pro odstranění informací příkaz Esc Otevření souboru Alt, File, Open Výběr adresáře a souboru Spuštění programu Alt, Run, Start Vlastní práce s programem Podle požadavků programu Opakování výpočtu Shift+F5 Ukončení práce Alt, File, Exit Příloha 2: Prostředí standardního obslužného programu METEX Tento program byl dodán výrobcem z Taiwanu. Pro značné nedostatky jej používáme jen jako ilustraci možností měření. Program slouží pro měření a záznam pomocí multimetru METEX M3850 a počítače. Program je uložen v souboru D:\PREV\MET\METEX.EXE. Spouští se z příslušného adresáře názvem souboru. Vstup do menu je příkazem Fl0 a výběr položek kurzorovými šipkami, volba tlačítkem Enter. Návrat do hlavního menu Esc. Spuštění měření: Fl0, Measure, Run nebo též Fl0, Measure, List view Příloha 3: Další programy pro obsluhu přístroje METEX M3850 Tyto programy pro obsluhu měřícího přístroje jsou v jazyku BASIC a vyvolávají se z prostředí Quick BASICu.
MET1.BAS 10 OPEN "COM2:1200,N,7,2,RS,CS,DS,CD" FOR RANDOM AS #1 20 A$ = "D" 30 PRINT #1, A$: 40 IN$ = INPUT$(14, #1) 50 PRINT IN$ 60 PRINT 70 PRINT 80 CLOSE #1 90 END
MET5.BAS 10 OPEN "D:\PREV\MET\DATA.DAT" FOR OUTPUT AS #2 20 OPEN "COM2:1200,N,7,2,RS,CS,DS,CD" FOR RANDOM AS #1 30 A$ = "D" 40 INPUT "Zadej počet měřených bodů:"; Bl 50 INPUT "Zadej interval měření [s]:". B2 60 PRINT "Měření spusť tlačítkem 'a'" 70 PRINT #1, A$; 80 IF INKEYS = "a" THEN GOTO 110 ELSE GOTO 90 90 IN1$ = INPUT$(14, #1) 100 GOTO 80 110 AI = TIMER 120 FOR I = 1 TO Bl 130 IN$ = INPUT$(14, #1) 140 WRITE #2, IN$ 150 PRINT IN$ 160 IF A1 + I * B2 > TIMER THEN GOTO 170 ELSE GOTO 190 170 IN1$ = INPUT$(14, #1) 180 GOTO 160 190 NEXT I 200 PRINT 210 PRINT 220 CLOSE #1, 2 230 END
