Педагогические науки/1. Дистанционное образование

Длогуш И.В., Циделко В.Д., Бурченков Г.К., Затока С.А.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», Украина

Виртуальная лабораторная работа:

«Испытание магнитомягких материалов

с помощью мостовых схем»

Постановка задачи

При использовании дистанционных форм обучения в технических дисциплинах возникают сложности, связанные с необходимостью изучения принципа действия тех или иных приборов, устройств и процессов на реальных физических приборах и макетах. Доступ к ним у обучающихся может отсутствовать. Поэтому необходимо создание виртуальных приборов и устройств, функциональность которых в рамках поставленной задачи приближалась бы к реальным.

При изучении дисциплины «Методы и средства измерения» были рассмотрены различные методы испытания магнитомягких материалов. Также существовала проблема аппаратурной реализации данных методов. Поэтому целью данной работы являлась разработка виртуальной лабораторной работы для испытания магнитомягких материалов с помощью мостовых схем.

Поставленную задачу целесообразно решить с использованием пакета LabView т.к. он позволяет с легкостью создать внешний вид интересуемого прибора и реализовать его правильную и точную работу с помощью уже готовых вычислительных блоков.

Описание решения

В лабораторной работе выполняется два опыта:

· испытание магнитомягких материалов с использованием моста Максвелла;

· испытание магнитомягких материалов с использованием моста с мерой емкости.

Для реализации испытаний было составлено 25 вариантов исходных данных для трех вариантов исследуемого образца. В исходных данных изменяются следующие параметры:

· наружный и внутренний диаметры образца, а также его толщина;

· число витков намагничивающей обмотки;

· частота напряжения питания цепи;

· амплитуда напряженности и др.

Поскольку исследуются два метода испытания магнитомягких материалов с помощью различных схем, то разместить все необходимые виртуальные приборы в рамках одной площади экрана ЭВМ затруднительно. Поэтому принято решение реализовать лабораторный стенд на пяти вкладках. На первой вкладке расположен блок выбора варианта задания и визуализация соответствующих варианту параметров схемы. На второй вкладке реализована схема первого опыта. На третьей – схема опыта 2. На четвертой вкладке представлена схема измерения для соответствующего опыта. На пятой вкладке приводится порядок выполнения лабораторной работы.

Выбор варианта производится нажатием одной из 25-ти кнопок, расположенных на первой вкладке рабочего стола (см. рис. 1). При нажатии на кнопку загорается ее подсветка, которая горит до выбора другого варианта. При изменении варианта изменяются данные по образцу и параметрам схемы.

Вторая вкладка «Опыт 1» состоит из пяти приборов (см. рис. 2), с помощью которых можно изменять параметры исследуемой схемы и снимать результаты измерения. Все приборы максимально приближены к реальным приборам, которые используются в этой реальной лабораторной работе. Схема измерения для опыта 1 представлена на рис. 4.а.

Рисунок 1 – Выбор варианта

Рисунок 2 – Опыт 1

С помощью Управляемого генератора напряжения устанавливается напряжение питания схемы и частота. Напряжение устанавливается двумя рукоятками: «грубо» и «точно». Рукоятка «грубо» переключает напряжение с шагом 5 V. Можно установить частоту напряжения питания 50, 60 и 100 Hz.

Цифровой частотомер используется для визуализации выбранной частоты напряжения питания схемы.

В качестве однозначных мер сопротивления используется виртуальная реализация реальной меры сопротивления Р321. Значение сопротивления каждой меры изменяется в зависимости от выбранного варианта.

Внешний вид магазина индуктивности, который используется в опыте 1, спроектирован по аналогии с реальным магазином индуктивности Р567. Установленное с помощью переключателя значение индуктивности автоматически отображается на индикаторе, расположенном над переключателем.

Магазин сопротивления, использующийся в первом опыте, позволяет установить максимальное значение сопротивления R_max=111,1 Ом с помощью четырех переключателей. Минимальная декада имеет коэффициент 0,01 Ом, а максимальная – 10 Ом. Этого вполне достаточно для выполнения всех вариантов задания для первого опыта.

Для точного уравновешивания плеч используемого моста применяется нуль индикатор с четырьмя уровнями точности уравновешивания. Кнопки множителя изменяют свое значение от 1000 до 1 (1000 соответствует минимальной чувствительности, а 1 – максимальной). Нажатая кнопка подсвечивается индикатором, для повышения наглядности.

После установления на нуль-индикаторе минимального значения отклонения стрелки от нуля результаты измерения снимаются со стрелочного вольтметра. Для повышения точности измерения и приближения внешнего вида вольтметра к реальному прибору, вольтметр имеет кнопки переключения диапазонов измерения.

На третьей вкладке рабочего стола расположен «Опыт 2» (см. рис. 3). Он также как и Опыт 1 состоит из пяти приборов, которые несколько отличаются между собою. Схема измерения для Опыта 2 представлена на рис. 4.б.

Рисунок 3 – Опыт 2

Приборы, используемые в Опыте 2, отличаются от приборов Опыта 1 пределами измерения. Например, универсальный генератор напряжения 2 может устанавливать напряжение в диапазоне U=0…155 V с частотой 8; 9; 10 Hz.

Магазин сопротивления, использующийся в первом опыте, имеет больший набор сопротивлений и позволяет установить R_max=11111 Ом. Установка нужного сопротивления осуществляется с помощью пяти переключателей (декад).

Стрелочный вольтметр имеет более высокие диапазоны измерения (может измерять напряжение до U=1000 V).

Виртуальный магазин емкости позволяет выставлять емкость от С_min=0,0001 μF до С_max=1 μF.

Все приборы соединены по схеме измерения (см. рис. 4.б), что позволяет студенту представить реальную схему измерения.

Четвертая вкладка – Схема измерения работает по следующему принципу. Если перед нажатием на вкладку «Схема измерения» была открыта вкладка «Опыт 1», будет отображаться схема измерения для опыта 1. Если же была открыта вкладка «Опыт 2», то будет отображаться схема измерения для опыта 2. Данный принцип реализуется благодаря присвоению на соответствующей странице кейса булевого значения индикатору Square LED. Предварительно используемый индикатор был отредактирован с помощью функции Customize [2]. В качестве режима True был загружен рисунок со схемой измерения для опыта 1, а для режима False - схемой измерения для опыта 2.

а)	б)

Рисунок 4 – Схема измерения

На вкладке «Порядок выполнения» представлен краткий порядок выполнения лабораторной работы. Данная вкладка служит для облегчения работы студенту и позволяет не отвлекаться на поиск необходимого пункта в протоколе лабораторной работы.

В результате тестирования разработанного виртуального стенда лабораторной работы было установлено:

- функциональность виртуальных устройств очень близка к реальным приборам;

- большой диапазон изменения параметров позволяет с легкостью уравновесить мостовую схему;

- разделение предела измерения вольтметра на диапазоны дает возможность более точно снять результаты измерения.

Все это подтверждает возможность использования разработки в дистанционных формах обучения, как для теоретического изучения магнитомягких материалов, так и получения практических навыков, которые могут быть использованы в последующем при работе с реальными приборами.

Используемое оборудование и программное обеспечение

Для разработки учебного стенда использовалась версия 8.0 пакета LabVIEW. Разработанный стенд рассчитан на работу на мониторе 17” и выше (1024х768 точек).

Внедрение и развитие решения

Виртуальный учебный стенд был разработан в рамках курса по дисциплине «Методы и средства измерения» на кафедре информационно-измерительной техники Национального технического университета Украины «КПИ».

Внедрение виртуального макета будет реализовано в дистанционном курсе «Методы и средства измерения» кафедры информационно-измерительной техники Национального технического университета Украины «КПИ», размещенного на информационных ресурсах Украинского института информационных технологий в образовании в рамках проекта дистанционного образования по бакалаврскому направлению «Метрология и измерительная техника».

Литература:

1 Л.И. Пейч, Д.А. Точилин, Б.П. Поллак. LabVIEW для новичков и специалистов. Москва: Горячая линия – Телеком, 2004. 384 стр.

2 А. Я. Суранов "LabVIEW 7: справочник по функциям", Москва, "ДМК Пресс", 2005г.