Педагогические науки/1. Дистанционное образование
Гурин Р.В., Циделко В.Д., Бурченков
Г.К., Затока С.А.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический
институт»
Виртуальная лабораторная работа для измерения токов и
напряжений
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 методы измерения
токов и напряжений [1]. Поэтому целью данной работы являлась разработка виртуальной
лабораторной работы для изучения свойств амперметров и вольтметров.
Описание
решения
Данную
задачу целесообразно решить с использованием пакета LabView компании National Instruments, т.к. он
позволяет инженерам, не имеющим глубоких
знаний и опыта в традиционном программировании, быстро создавать сложные автоматизированные
системы измерений и управления.
В
лабораторной работе выполняются два опыта:
· Опыт
1. Применение шунта для увеличения предела измерения амперметра;
· Опыт
2. Применение добавочного сопротивления для увеличения предела измерения
вольтметра;
· Опыт
3. Определение действительного значения коэффициента трансформации
трансформатора тока;
· Опыт
4. Определение погрешности включения амперметров.
Поскольку
разместить все четыре опыта в пределах экрана невозможно, то учебный стенд был
реализован на семи вкладках:
· Варианты
· Опыт
1
· Опыт
2
· Опыт
3
· Опыт
4
· Схема
измерения
· Порядок
выполнения
В
начале работы студенту необходимо выбрать один из 25 вариантов. В зависимости
от варианта изменяются:
· внутренние
сопротивления исследуемых приборов;
· задаваемые
значения измеряемой величины, которые необходимо измерить.
После
выбора варианта необходимо перейти к выполнению одного из опытов.
На
лицевой панели опыта 1 (см. рис. 1) доступны следующие приборы:
· универсальный
источник питания;
· цифровой
амперметр;
· цифровой
вольтметр;
· исследуемый
амперметр;
· магазин
сопротивлений.
Целью
данного опыта является с помощью сопротивления шунта расширить предел измерения
амперметра.
Если
необходимо иметь ток 
в измерительном механизме меньше в n раз измеряемого
тока 
, то сопротивление
шунта:
,
где
– сопротивление измерительного механизма ИМ; 
– коэффициент шунтирования.
С
помощью универсального источника питания задается ток в измерительной цепи.
Цифровой амперметр используется в качестве образцового амперметра, по которому
определяется действительный ток в цепи. Цифровой вольтметр предназначен для
измерения падения напряжения на исследуемом амперметре, для того чтобы
рассчитать внутреннее сопротивление исследуемого амперметра.
Рисунок
1 – Лицевая панель опыта 1
Поскольку разместить все приборы,
используемые в опыте, было затруднительно, то было принято решение реализовать
магазин сопротивления в виде небольшого рисунка, при нажатии на который
всплывало окно с магазином сопротивления (см. рис. 2).
Класс
точности магазина сопротивления – 0,2/10-6.
Исследуемый амперметр имеет предел
измерения 150 мА, класс точности -0,5, цена деления 1 мА, вид измеряемого тока:
переменный, постоянный.
Цифровой вольтметр имеет 4 диапазона
измерения напряжения: 1, 10, 100 и 1000 В. Вид измеряемого напряжения:
переменное, постоянное.
Цифровой амперметр имеет 4 диапазона
измерения тока: 10, 100 мА, 1, 10 А. Вид измеряемого тока: переменный,
постоянный.
Рисунок
2 – Лицевая панель опыта 1
На лицевой панели опыта 2 доступны
следующие приборы:
· универсальный
источник питания;
· цифровой
вольтметр;
· исследуемый
амперметр;
· магазин
сопротивления.
Целью
данного опыта является расширить предел измерения вольтметра. В данном опыте в
качестве вольтметра используется амперметр, с пределом измерения по напряжению,
определенном в опыте 1.
Если
напряжение, необходимое для полного отклонения подвижной части измерительного
механизма, равно 
, а
измеряемое напряжение 
, то добавочное
сопротивление:
.
Все используемые приборы имеют такие же
характеристики, как и в опыте 1.
На лицевой панели опыта 3 доступны
следующие приборы:
· универсальный
источник питания;
· цифровой
амперметр;
· исследуемый
амперметр;
· трансформатор
тока.
Целью
данного опыта является определить действительный коэффициент трансформации
трансформатора тока.
С
помощью цифрового амперметра измеряется первичный ток 
, а с
помощью исследуемого амперметра измеряется вторичный ток 
.
Коэффициент трансформации трансформатора тока определяется по формуле:
Исследуемый
амперметр имеет предел измерения 500 мА, класс точности – 0,5, цена деления 5
мА, вид измеряемого тока: переменный, постоянный.
Трансформатор
тока имеет пределы переключения первичного тока: 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 А,
вторичный ток – 0,5 А. Класс точности – 1,5.
На
лицевой панели опыта 4 доступны следующие приборы:
· универсальный
источник питания;
· цифровой
вольтметр;
· цифровой
амперметр;
· два
исследуемых амперметра.
Целью
данного опыта является определить погрешность включения амперметров.
В
данном опыте с помощью цифрового амперметра выставляется рабочий ток цепи.
Далее в эту цепь включается первый исследуемый амперметр и по цифровому
амперметру определяется действительный ток в цепи. Затем вместо первого
исследуемого амперметра включают второй исследуемый амперметр и так же по
цифровому амперметру определяют действительный ток в цепи. По полученным
результатам определяют погрешность включения амперметров.
Цифровой
вольтметр служит для определения падения напряжения на исследуемых амперметрах,
для нахождения их внутренних сопротивлений.
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 рамках дистанционного образования по
бакалаврскому направлению «Метрология и измерительная техника».
Литература
1. Электрические измерения: Учебник для
вузов / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин У.М. и др.; Под ред. А.В. Фремке
и Е.М. Душина.-5-е изд., перераб. И доп.- Л.:
Энергия. Ленингр.. от-ние, 1980.-392с., ил.
2. Л.И. Пейч,
Д.А. Точилин, Б.П. Поллак. LabVIEW
для новичков и специалистов. Москва: Горячая линия – Телеком, 2004. 384 с.