Тема 6. История виртуальных информационно-измерительных приборов в сервисе

Практическое занятие № 20 История виртуальных информационно-измерительных приборов в сервисе. Измерение параметров электрических цепей с использованием программы Мультисим

1. Подготовка занятия: Подбор контрольных и тестовых вопросов. Формирование раздаточного материала занятия. Подготовка и проверка технических электронных средств занятия.

2. Вступление: Сообщение темы и цели занятия.(5-минут)

3.Вводная часть: – актуализация теоретических знаний, необходимых для практической деятельности специалиста.

Краткая теория

Общие положения.

Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) в истории развития средств измерения в сервисе появи­лось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный информационно-измерительный прибор или система — это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно-измерительного прибора или системы, максимально приближен­ный к решению задачи. В научных исследованиях, диагностичес­ких, статистических и интеллектуальных системах компьютеры ис­пользуются для решения задач управления измерительными экс­периментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и хранения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осуществляется не аппаратно, а программно с помощью персонального компьютера. Аппаратная информационно-измерительная часть приборов и систем реали­зуется в конструктиве стандартной платы и автономного модуля компьютера. Функции, передаваемые компьютеру, обычно связа­ны с организацией взаимодействия пользователя и компьютера с привычной для пользователя атрибутикой — панели, ручки уп­равления, т.е. в этом случае работа с виртуальными приборами (ВП) оказывается аналогичной работе с традиционными прибо­рами и пультами управления.

Информационные технологии вывели измерительную технику на новый уровень, позволяющий быстрее и с меньшими затрата­ми разрабатывать информационно-измерительные приборы и си­стемы различной сложности: от измерения параметров до ввода и обработки видеоизображений с передачей результатов через внеш­нюю сеть на любые расстояния. Появление измерительных ин­формационных приборов и систем с применением виртуальных технологий связано:

• с широким распространением персональных компьютеров, имеющих высокое быстродействие, большие объемы памяти, прак­тически неограниченные графические возможности, позволяющие создать функционирующие в реальном масштабе времени вирту­альные измерительные устройства, с высокой степенью подобия, воспроизводящие поведение тех или иных физических приборов и систем;

• созданием автоматизированных информационно-измерительных систем различного назначения, таких как автоматизирован­ные системы научных исследований (АСНИ) и комплексных ис­пытаний (КИ), физические и космические объекты и др.;

• возможностью реализации в весьма компактной форме при­боров и модулей;

• появлением измерительного программирования (ИП), под которым понимается программирование для информационно-из­мерительной техники и систем, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления измерительной информации и управления измерительным экспе­риментом.

Средства измерения и тестирования

Функциональные возможности хорошо знакомых традицион­ных измерительных приборов заданы их производителем, и изме­нить число каналов достаточно проблематично. А так как никакой производитель не в состоянии охватить все многообразие реаль­ных задач, это в значительной степени затрудняет подбор опти­мального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Виртуальный прибор снимает это ограничение. Ос­новой стали открытые, а значит, доступные всем разработчикам и производителям стандарты на универсальное оборудование, что позволяет выбирать лучшие из существующих на рынке решений и компоновать из них специализированные системы.

Виртуальный прибор (ВП) представляет собой комбинацию ком­пьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование за­конченной системы. По сути, в руках создателя системы — конст­руктор, из которого даже не искушенный в компьютерных техноло­гиях инженер или исследователь (студент) может построить измерительный прибор любой сложности. В этом случае, скорее, требования задачи и соответствующее этому ПО, а не возможности прибора определя­ют функциональные характеристики законченного прибора.

В настоящее время развивается направление по разработке вир­туальных измерительных систем, широко использующих возмож­ности современных компьютеров, компьютерной графики, перс­пективных методов и средств измерений, цифровой обработки информации и эффективных «plug & play» мультимедиа-техноло­гий при создании программного и технологического обеспечения. Основные области применения таких систем следующие:

• экспериментальные научные измерения и исследования ре­ализуются в виде универсальных (функционально ориентирован­ных) приборов в виртуальном исполнении (осциллографы, ана­лизаторы, генераторы, синтезаторы сигналов, мультиметры, вольт­метры, частотомеры, мультиплексоры и др.) и специальных (про­блемно-ориентированных) систем, применяемых в спектроско­пии, акусто- и сверхпроводниковой электронике, в поляризованных исследованиях оптических светодиодов, изучении распрост­ранения электромагнитного излучения в газах и атмосфере, дис­танционном зондировании Земли и планет и др.;

• разработка семейства новых универсальных компьютерных приборов, синтезированных программным путем, среди которых можно выделить приборы с блоком оценки и представления точ­ности характеристик прибора и измерений;

• виртуальные системы учебного назначения: практикумы и тренажеры, электронные каталоги и инструкции к серийно вы­пускаемым приборам, построенные на адекватных моделях уст­ройств.

Краткое описание программы Multisim 10 (Electronics Workbench): 

• Multisim (electronics workbench) является очень мощной программой в сфере моделирования и расчета электрических (электронных) схем устройств на цифровых и аналоговых компонентах. В ней содержится большой набор инструментария и библиотек элементов для работы. Это виртуальные тестеры, генераторы, осциллографы, готовые модели электротехнических деталей и т.д. Программное обеспечение полностью совместимо с программами CAD и PCB-дизайна.

• Основными особенностями данной программы, есть возможность использования контрольно-измерительных приборов, которые по своему виду и внутренним характеристикам приближены к их реально существующим аналогам. Multisim 10 (electronics workbench) довольно проста в изучении и практична в работе.

К преимуществам Multisim 10 (electronics workbench) можно отнести:

• » Использование компьютерных методов разработки;

• » Быстрое выполнение сложных и объемных работ;

• » Высокая точность и глубокий анализа;

• » Может применяться на предприятиях, ВУЗах, в домашних условиях (быту);

• » Применяться как замена дорогостоящего оборудования;

• » Содержит в себе большое количество моделей электронных устройств;

• » Программа проста в обращении и не требует глубоких знаний в компьютерной технике;

• » Имеет интуитивно понятный интерфейс;

• » Может работать с большим числом компьютерной периферии и имитировать ее работу;

• » На данный момент времени программа является лучшей из существующих в этой сфере.

(Повторение пройденного материала -15-минут)

а) Разминка. Индивидуальный опрос. Преподаватель задает ряд вопросов, например:

Вопросы:

1.Дайте определение виртуальному информационно-измерительному прибору.

2.Что явилось причиной появления виртуальных информационно-измерительных приборов и систем?

3.Что такое измерительное программирование?

4.Перечислите возможности программы Мультисим.

5.Перечислите области применения виртуальных измерительных систем.

6. Преимущества Multisim 10 (electronics workbench)

Приведите в соответствие термины и определения электронных средств защиты объекта

Термины	Определения
1.Виртуальный информационно-измерительный прибор или система	1.это компьютер, оснащенный набором аппаратных и программных средств, выполняющий функции информационно-измерительного прибора или системы, максимально приближен­ный к решению задачи
2. Виртуальный прибор (ВП)	2.представляет собой комбинацию ком­пьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения (ПО), которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование за­конченной системы
3.Метрология	3.наука об измерениях, о способах достижения требуемой точности и достоверности, корректной записи результатов, об обеспечении единства измерений
4. Измерения м.б. классифицированы по метрологическому назначению на три категории:	4. -ненормированные, технические, метрологические Ненормированные - измерения при ненормированных метрологических характеристиках. Технические - измерения при помощи рабочих средств измерений. Метрологические - измерения при помощи эталонов и образцовых

Термины	Определения
ГОСТ 8.417-2002 "ГСИ. Единицы физических величин"	1.Стандарт устанавливает единицы физических величин, наименования, обозначения, определения и правила применения этих единиц
2.Физическая величина (кратко "величина")	2. свойство, в качественном отношении общее многим объектам, а в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.
3. В качестве ( единиц физических величин) основных, согласно классификации СИ	3.приняты семь единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, канделла
4. Класс точности	4. обобщенная метрологическая характеристика средства измерения.

:

Студенты должны обоснованно выбрать правильный ответ. Вопросы и ответы (могут) проектируются на доске.

4.Основная часть: (70 –минут).

– проведение инструктажа;

– ознакомление со способами фиксации полученных результатов;

– проведение экспериментов или практических работ.

Задания студентам:

Задание 1. Измерение источников питания.

Запустить программу Мультисим.

Выбрать элемент «Источники» на панели быстрого доступа, так как показанно на рисунке 1.

Рисунок 1

Выбрать источник постоянного напряжения и нажать ок.

Чтобы измерить напряжение источника питания подключим к нему мультиметр, соединим их выходы и поставим заземление:

Для включения цепи нажимаем пуск:

Для просмотра показаний измерения дважды щелкаем на мультиметр.

Таким же образом измерим напряжение переменного источника питания:

Нажимаем запуск и снимаем показание мультиметра.

Задание 2. Измерение сопротивления элемента.

1. Открыть программу Мультисим.

2. Выбрать виртуальный резистор как показано в примере:

3. Выбираем мультиметр:

4. Подключаем его к резистору и заземляем цепь.

5. Дважды нажимаем на мультиметр и выставляем измерение сопротивления резистора:

6. Запускаем.

В итоге видим показание мультиметра. Сопротивление резистора 1 Ком.

Задание 3. Измерение силы тока в цепи.

Для начала нужно построить простую цепь состоящую из постоянного источника питания, заземления, и нагрузки.

Выбираем источник питания и заземление:

Выбираем нагрузку на цепь в виде резистора:

Соединяем схему:

Для измерения силы тока в цепи, амперметр (мультиметр) нужно подключить последовательно в разрыв цепи:

Дважды нажимаем на мультиметр и выбираем:

При изменение сопротивления нагрузки на цепь, её сила тока будет меняться, для этого дважды нажимаем на резистор и меняем его показание, так как показано на рисунке:

В итоге видим:

Измерение силы тока при переменном источнике питания:

Выбираем переменный источник питания, заземление, и нагрузку. Строим цепь:

В настройках мультиметра переключаем на измерение переменной силы тока в цепи изапускаем:

Задание 4. Измерение мощности в электрической цепи.

В любой электрической цепи параметр «мощность» измеряется по средствам измерения силы тока и напряжения.

W=AxV, где, W- мощность, A- сила тока, V-напряжение.

В программе Мультисим для более простого расчета есть прибор ваттметр, который подключается как и амперметр, так и вольтметр.

Для измерения мощности электрического тока в цепи возьмем:

Источник постоянного напряжения, заземление и нагрузку в виде резистора:

Далее исходя из примера подключим ваттметр:

Задание 5 Схема.

Для начала построим небольшую схему. Возьмем переменный источник питания и заземление:

После этого на источнике питания выставим напряжение 220 в,для этого дважды кликнем по нем:

Набираем 220 и жмем ок.

Теперь построим следующую схему:

Элементы резистор и конденсатор находятся:

Лампочку берем здесь:

Теперь настроим схему. Резистор дважды кликнем по нему:

Конденсатор:

И Лампу:

Теперь схема работает.

Теперь нужно измерить параметры схемы,а именно: напряжения, сопративление, силу тока и частоту.

Для этого нам потребуется мультиметр и частометр:

В докладе студента:

1)Определить чему будет равно E1 при следующих исходных данных: X1, R и С?

2)Замерить напряжение: Ux1, Uc и Ur, значения отразить в таблице. Как измениться напряжение E1?

3)Сделать выводы и доложить преподавателю, заполнить таблицу.

E1 В	X1 В	C пФ	R Ком	Ur В	Ux1 В	Uc В	E1 В
2 20 220	200 200	1 3	1 2

5. Заключительная часть. (10-минут).

– обобщение и систематизация полученных результатов;

• подведение итогов практического занятия и оценка работы студентов.

Выдача задание для самостоятельной работы.