Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я

Ф А К У Л Т Е Т А В Т О М А Т И К А

Катедра: „Електроизмервателна техника” маг. инж. Владислав Деянов Славов

ВИРТУАЛНА ЛАБОРАТOРИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ФИЗИЧНИ ВЕЛИЧИНИ

АВТОРЕФЕРАТ на дисертацията за присъждане на образователна и научна степен „ДОКТОР”

Професионално направление 5.2 Електротехника, електроника и автоматика

Научна специалност:

02.05.43 „Електроизмервателна техника”

Научен ръководител: доц. д-р инж. Ташо Ангелов Ташев

Рецензенти: доц. д-р Рангел Венциславов Динов проф. д-р Иван Николов Петров

София, 2011

1

Дисертационният труд е в обем на 154 страници и съдържа: увод, седем глави, научни и

научно-приложни приноси, 69 фигури и 6 таблици. Цитирани са 81 литературни източника. В 10 приложения са показани детайлно получените експериментални резултати във вид на таблици и блок диаграми на някои от реализираните системи. Номерацията на главите, формулите и фигурите в автореферата отговаря на тази в дисертацията.

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от катедра „Електроизмервателна

техника” при факултет Автоматика на Технически университет – София на заседание, проведено на 20.05.2011.

Научните изследвания по дисертационния труд са извършени в Технически университет – София.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на 3.10.2011 г. от 14:00 часа в зала 2434

на II блок на Технически университет – София.

ВИРТУАЛНА ЛАБОРАТOРИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ФИЗИЧНИ ВЕЛИЧИНИ

Автор: маг. инж. Владислав Деянов Славов

Рецензенти: доц. д-р Рангел Венциславов Динов проф. д-р Иван Николов Петров

Посвещавам този дисертационен труд на моя научен ръководител доц. д-р Ташо

Ангелов Ташев с огромна признателност и благодарност за безрезервната и силна

подкрепа, която ми оказа през годините на подготовкa!

2

ОБЩА ХАРЕКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема Бързото развитие в сферата на технологиите установи и специфични проблеми в

академичната област и по-специално в инженерните дисциплини. Поражда се постоянна нужда от развиване и уголемяване на количеството лекционни курсове, която да следва тези промени и това важи най-вече за областта на инженерното образование и експерименталната работа. Основният проблем се състои в осигуряване на студентите със значим и относително практически опит в рамките на среда с ограничени ресурси.

Едно от решенията на тези проблеми е използването на компютърно базирани технологии за връзка на студентите с физическия свят. Тази идея вече се вгражда в множество академични курсове с инженерна насоченост, с използването на компютърно базирани инструменти и в лекционните занимания и по време на лабораторните практики. Освен това споделянето на информация и опит придобива много голямо значение.

Технологията на образованието и компютърните изследвания могат да бъдат разпределени в следните групи – компютърна базирана подготовка, обучение с помощта на компютър, експериментиране с помощта на компютър. Достъпът до тези технологии най-често се осъществява от дистанция чрез интернет или интранет. Друго условие, което се изпълнява, е анализ на цената. Закупуването на изцяло ново съоръжение, базирано на най-модерни технологии, е скъпо решение особено за образователните институции. Алтернативен е подходът, при който се използва “старата” лаборатория с доказани системи, пригодена и допълнена с компютърна система за събиране на данни и разработени конкретни програми за обслужване на конкретните експериментални модули.

Цел и задачи на дисертационния труд Целта на настоящата дисертация е да се разработят и изследват виртуални системи за

измерване на различни по характер физични величини, които да могат да бъдат приложени в изграждането на виртуална лаборатория за измерване, приложима в областта на образованието, науката и индустрията. Формулираната цел може да бъде постигната с изпълнението на следните задачи:

1. Разработване на алгоритъм за четене на измервателната информация за работа на виртуална измервателна система за проверка и калибриране на цифрови мултимери с приложение: а) в образованието – разработване на виртуална система за проверка на цифров

волтметър б) в лаборатория за проверка и калибриране – разработване на виртуална система за

калибриране на цифров мултимер. 2. Разработване на виртуална система за изследване на характеристиките на термодвойки. 3. Разработване на алгоритъм за приложение във виртуална система за измерване на

линейни премествания с капацитивни преобразуватели.

Научна новост Разработените виртуални системи са базирани на съвременните тенденции, подходи и

концепции в изграждането на виртуални лаборатории. Синтезирана е обобщена структура на виртуална лаборатория за измерване на физични величини, въз основа на теоретична база и реално разработени решения. Изведени са обобщени критерии за избор на програмно осигуряване за създаване на виртуални инструменти. Синтезирана е схема за реализация на автоматизирана система за калибриране с приложение на виртуални технологии. Синтезиран е обобщен алгоритъм за четене на измервателна информация, приложена в две различни виртуални автоматизирани системи за проверка и калибриране на цифрови измервателни уреди. Разработена е виртуална система за изследване характеристиките на термодвойки. Синтезиран е алгоритъм за разработване на виртуална система за измерване на линейно преместване.

3

Използване на резултатите (Практическа приложимост) Резултатите от дисератционния труд могат да намерят приложение в по-нататъчни

изследвания и разработки на виртуални измерватлени системи. Синтезираният обобщен алгоритъм за четене на измервателна информация е с приложения в лаборатории за калибриране и проверка и в образователния процес. Разработената виртуална система за изследване характеристиките на термодвойки с приложена в лабораторните упражнения за измерване на неелектрически величини.

Апробация

Работата е докладвана изцяло в катедра Електроизмервателна техника, ТУ-София, както и на следните научни конференции: WSEAS Conference in Hanghou, China, April 6-8, 2008; Conference ”Computer Science’ 2008”, September 18-19 2008, Kavala, Greece; XVIII Национален научен симпозиум с международно участие “Метрология и метрологично осигуряване”, Септември 10-14, 2008; 7th International Conference on Challenges in Higher Education and Research in the 21st Century, June 2-5 , 2009; 10th WSEAS Internationa Conference on Instrumentation, Measurement, Curcuits and Systems(IMACS’11), Venice, Italy, March 8-11, 2011.

Публикации Във връзка тематиката на дисертациония труд са направени 6 научни публикации, както

следва: - Една в сборника „Selected Papers from the WSEAS Conference in Hanghou”, China, April 6-

8, 2008. - Една в сборника Proceedings of Fourth International Bulgarian – Greece Conference

”Computer Science’ 2008”. - Една в сборника на XVIII Национален научен симпозиум с международно участие

“Метрология и метрологично осигуряване”, Септември 10-14, 2008 - Една в сборника „Proceeding of the 7th International Conference on Challenges in Higher

Education and Research in the 21st Century”, June 2-5 , 2009. - Една в сп. Стандартизация, метрология, сертификация, Октомври 2010, брой 10. - Една в сборника „Recent Researches in Instrumentation, Measurement, Circuits and Systems,

Proceedings of 10th WSEAS International Conference on Instrumentation, Measurement, Circuits and Systems(IMACS’11)”, Venice, Italy, March 8-11, 2011.

Структура и обем на дисертационния труд

Дисертационният труд е в обем на 153 страници и съдържав увод, седем глави, научни и научно-приложни приноси, 69 фигури и 6 таблици. Цитирани са 81 литературни източника. В 10 приложения са показани детайлно получените експериментални резултати във вид на таблици и блок диаграми на някои от реализираните системи. Номерацията на главите, формулите и фигурите в автореферата отговаря на тази в дисертацията.

4

КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРАТЦИОННИЯ ТРУД

ГЛАВА 1: ОБЗОР НА РАЗВИТИЕТО И СТРУКТУРАТА НА ВИРТАУЛАНАТА ЛАБОРАТОРИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕ

Ретроспективен анализ на определението за виртуална лаборатория Симулации и експерименти

Компютърна симулация, която позволява важни функции на лабораторен експеримент да бъдат изпълнени от компютър се нарича виртуална лаборатория. Съществуват две основни концепции свързани с тази идея. - Експериментът е заменен от компютърен модел т.е. експериментът представлява

симулация Симулациите, които представят възможно най-точно реалните лабораторни експерименти, се наричат виртуални лаборатории.

- Виртуалните експерименти могат да бъдат дефинирани като виртуални, когато експериментите не се управляват чрез директна манипулация, а чрез компютри, свързани с лабораторното оборудване с мрежа (например WWW). Този вид виртуални лаборатории се наричат още дистанционни.

През 1997 Крамер и Де Майер дават различно от цитираното по-горе определение за виртуална лаборатория : Виртуалната лаборатория се определя като програмна симулация на експеримент, чиито изходни данни не се различават от данните на реалния физичен експеримент. Ко и Чен разделят виртуалната лаборатория на два вида – дистанционна уеб-базирана лаборатория и симулационна дистанционна лаборатория.

• Симулационна дистанционна лаборатория Симулационната дистанционна лаборатория е вторият най-разпространен метод за използване на Интернет с цел обучение (най-разпространен е т. нар. “уебсайт курс” метод). Известно е, че програмно осигурените демонстрации на абстрактни концепции могат да бъдат в помощ на студентите за по-добро разбиране и усвояване на сложни материи.

Дистанционна WEB-базирана лаборатория Идеята за дистанционна уеб-базирана лаборатория в общия смисъл на виртуална

лаборатория, предполага преодоляването на тези ограничения. Такава система позволява на студентите достъп до лабораторни експерименти по всяко време и навсякъде чрез интернет. По-конкретно, правилно разработена виртуална лабораторна среда би осигурила на студентите възможност за провеждане на експерименти по реалистичен модел, имитирайки тяхното реално присъствие в лабораторията. Една от дефинициите, която може би определя най-пълно и ясно виртуалната лаборатория твърди: “Виртуалната лаборатория е разпределена работна среда с основна цел осигуряване на разнообразно лабораторно оборудване и изчислителни ресурси. Виртуалната лаборатория трябва да включва реални експерименти.” Това означава, че потребителя трябва да има възможност за събиране на реални данни. Виртуалната лаборатория трябва да осигурява инструменти за съвместна работа, с помощта, на които да се преодолее присъщото за разпределените среди географско разделение. Пример за това е интернет. С други думи казано виртуалната лаборатория трябва да осигурява глобален достъп. От казаното до тук могат да бъдат обобщени следните характеристики на виртуалната лаборатория - провеждане на реални експерименти и събиране на реални данни, разпределена среда, глобален достъп, минимални ограничения от ресурсен тип, висока степен на защита, функционалност. Структура на виртуалната лаборатория

Виртуалната лаборатория може да включва различни компоненти в структурата си в зависимост от експериментите, които ще бъдат провеждани в нея. В дисертационния труд са

5

разгледани различни примери на структури на виртуална лаборатория с различни типове програмно осигуряване .

Тези примери заедно с примерите в литературата ми позволяват да обобщя следната структурна схема за виртуална лаборатория.

Фигура 1.6. Обобщена структура на виртуална лаборатория

Виртуалната лаборатория може да се състои от различни структурни възли в зависимост от типа на експериментите, които ще се проведат в нея. На фигура 1.6 е показана обобщена структура, в която се съдържат структурни блокове общи за повечето съществуващи виртуални лаборатории.

- WEB портал – С този структурен блок се изпълнява една от основните характеристики на виртуалната лаборатория – глобален достъп. През интернет потребителят ще има достъп и до компютъра и до оборудването в лабораторията чрез подходящо проектиран потребителски интерфейс върху компютъра на клиента.

- Сървър – компютър с добри характеристики, който може да изпълнява голям набор от симулации и обработка на данни.

- Базата данни съдържа специфична за приложението информация като начални условия, ограничения, експериментални наблюдения, изисквания и др. Съдържанието на базата данни трябва да бъде обновявано автоматично. Тя също може да бъде разпределена. Трябва да се предвиди факта, че базата данни ще съдържа голямо количество информация и ще се разширява.

- Оборудване, свързано с изчислителната мрежа. Това е важен структурен блок на виртуалната лаборатория, който я прави действителна. Този блок е свързан с характеристиката за събиране на реални данни и провеждане на реални експерименти.

- Програмно осигуряване. Всяка виртуална лаборатория е изградена на база на специфично програмно осигуряване, което позволява симулация на процеси, анализ на данни и/или визиуализация. Това е ключов структурен блок в организацията на виртуалната лаборатория. Програмата взаимодейства със средата и позволява на потребителите да работят с нея чрез подходящ програмен интерфейс. Потребителят от своя страна трябва да има априорни познания за това как да използва възможностите на програмата. Програмното осигуряване трябва да позволява на потребителите достъп до реалното лабораторно оборудване през уеб портал и да взаимодействат с него, както биха направили това в напълно реална среда. Програмното осигуряване е в непосредствена връзка с понятието инструмент характерно за всяка лаборатория. Във виртуална среда се използва термина виртуален инструмент.

6

ГЛАВА 2. КРИТЕРИИ ЗА ИЗБОР НА ПРОГРАМНОТО ОСИГУРЯВАНЕ НА ВИРТУАЛНА ЛАБОРАТОРИЯ

В първа глава беше отбелязано, че програмното осигуряване е ключова структурна единица във всяка виртуална лаборатория, затова в тази глава ще бъдат разгледани съществуващите възможности за избор на подходящ софтуер и да се обобщят критериите, по които да бъде оптимизиран този процес.

Програмното осигуряване може да се раздели на няколко нива, които може да се опишат йерархично.

Програмно осигуряване на регистърно ниво Програмното осигуряване на регистърно ниво изисква познаване на вътрешната

структура на регистрите на устройството (DAQ карти, RS232 инструменти, GPIB инструменти или VXI модули) за въвеждане на битова комбинация, взета от инструкциите за програмиране на измервателните функции на устройството. Това е най-сложния начин на програмиране. В резултат програмата е силно зависима от хардуера и рядко изпълнима на системи с различен хардуер, т.е. ниска степен на универсалност.

Програмно осигуряване на драйверно ниво Един от най-важните компоненти в измервателните системи днес е програмното

осигуряване използващо драйвер за управление на съответния инструмент или устройство. Драйверите изпълняват реалната комуникация и контрол над измервателния хардуер в системата. Те предлагат сравнително лесен за ползване програмен модел, който позволява пълен достъп до сложните измервателни възможности на инструмента.

Програмно осигуряване на високо ниво

В момента най-популярният начин за програмиране се основава на инструменталното програмно осигуряване на високо ниво. С лесни за използване команди, инженери и учени бързо могат да създават, конфигурират и представят измервателната информация в достъпна за потребителя форма. Изборът на подходящ програмно осигуряване може да се окаже не лесна задача поради широката гама, която се предлага на пазара. Най-популярните и най-често използвани са LabVIEW, LabWindows, VEE HP, TestPoint, Measurement Studio, EPICS, Matlab.

Избор на програмно осигуряване на виртуална лаборатория На пазара се предлага голямо количество програмно осигуряване за компютърни

симулации, управление и визуализации. В литературни източници се цитират значителен брой инструменти със специфично приложение на базата на различни видове програмно осигуряване като Hypertext, Visual Basic, Authoware, Director, Labtech, Visual C++, Matlab/Simulink, LabVIEW и др. За избор на подходящо програмно осигуряване за създаване на виртуални инструменти могат да се изведат следните обобщени критерии: - Модулност – позволява лесна проверка на отделни модули и опростена разработка на

приложения; - Мултиплатформена преносимост – позволява на проектантите да работят по отделни

части, след което да ги съберат в обща платформа; - Съвместимост със съществуващия код – позволява работа с по-стари приложения и

версии на програмното осигуряване; - Апаратна съвместимост – позволява събиране на данни от апарати с различен интерфейс; - Гъвкавост на библиотеките – позволява създаване на програми на ниско ниво, които

могат да се свързват в системи от високо ниво; - Добри характеристики за трасиране – оптимизира разработването на продукта и определя

дефектите в кода; - Изпълнимост – предпазва от промени, скрива кода и създаване на самостоятелни

приложения; - Add-on пакети – индексира доколко продукта е приет пазарно и скоростта на развитие;

7

- Работа – потвърждава, че крайния продукт ще изпълнява поставените изисквания за работа;

- Интуитивен графичен потребителски интерфейс (GUI) - осигурява необходимата помощна информация на потребителя и го насочва в следващи действия;

- Мултимедийни възможности – има връзка с бъдещи разработки. Приема се, че горе изброените характеристики се отнасят за идеализиран програмен

инструмент. Реално, такива инструменти са или твърде сложни за използване или твърде скъпи, а и не винаги осигуряват всички необходими функции за изпълнение на поставената задача.

В края на миналия век започна тенденция на бързо развитие на графичните програмни езици продиктувана от изискванията за програмни среди, в които бързо и лесно да се разработват инженерни приложения, без да са необходими квалифицирани знания по програмиране. Такава среда е и LabVIEW, графичен език, който е изключително широко използван за разработки в различни области на индустрията и инженерните науки по цял свят и който покрива достатъчно задоволително критериите за програмно осигуряване за създаване на виртуална лаборатория. Изследванията и разработките в настоящия дисертационен труд също са направени с помощта на LabVIEW, затова ще бъде направено кратко описание на характеристикте му.

Картко описание на основните характеристики на LabVIEW LabVIEW (накратко от Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) е

платформа и среда за разработка на визуален програмен език, създадена от National Instruments. Този език е графичен и се нарича „G”.

LabVIEW е графична среда за бързо създаване на гъвкави приложения за дизайн, управление и тест на минимална цена. С LabVIEW инженери и учени от цял свят работят с реални сигнали, анлизират данни със съществено значение и разменят резултати чрез подходящи визуални средства, доклади и в световната мрежа. Без значение на опита като програмист LabVIEW прави разработването на такива приложения бързо и лесно за всички потребители.

Програмите в LabVIEW се наричат виртуални инструменти (ВИ), защото визуално и оперативно имитират физически инструменти като осцилоскопи, мултимери и др. LabVIEW съдържа богат набор от инструменти за събиране на данни, анализ, представяне и съхраняване на данни и резултати, както и инструменти за помощ при създаване на кода на програмата.

Характеристики на виртуалните инструменти Както беше споменато виртуалните инструменти са основна структурна единица на

всяко LabVIEW приложение, за това в дисертационния труд са разгледани по-подробно същността им и някои техни характеристики.

Виртуалните инструменти се използват за създаване на пригодими системи за тестване, измерване, анализ и автоматизиране чрез комбиниране на различни хардуерни и софтуерни компоненти. Ако системата се променя често, могат да се използват различни части на виртуалния инструмент, без да е необходимо закупуването на допълнителен хардуер или софтуер. Основните характеристики на виртуалните инструменти са – гъвкавост, ниска цена, възможност за работа с вирок набор от Plug-in и мрежов хардуер, софтуерна определеност.

Заключение С подходящия софтуер в инструмента могат да бъдат вградени интелигентност и

способност за взимане на решения така, че той да се адаптира при промяна на измервания сигнал. Важно предимство, което софтуера осигурява, е модулността. Когато се работи по сложна задача крайната цел може да бъде постигната чрез разбиването и на по-прости функционално решими задачи. Създава се виртуален инструмент, който решава всяка от тези задачи, след което те се обединяват в цялостна система, която решава поставения проблем. Доколко лесно може да бъде изпълнена една такава задача зависи главно от архитектурата на софтуера.

8

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРАНА СИСТЕМА ЗА КАЛИБРИРАНЕ И ПРОВЕРКА НА СРЕДСТВАТА ЗА ИЗМЕРВАНЕ

Затворена система за калибриране Автоматизираните системи за проверка и калибриране на средствата за измерване най-

често се изграждат на принципа на т.нар. затворена система за калибриране. Затворената система за калибриране е една от най-значимите разработки в областта на

измервателните и калибриращи инструменти в последните години. Затворената система е изградена на база на връзка между измерване работата на инструмента и действителните настройки на неговите оперативни характеристики. Затворената система изключва каквато и да е физическа намеса от страна на човека в самия цикъл. Блокова схема на такава система е показана на фигура 3.1.

Фиг. 3.1 Блокова схема на затворена система за калибриране

Ситемата калибратор-цифров мултимер е затворена с компютър, който на практика управлява процеса на калибриране. Калибраторът и мултимерът обменят данни с компютъра, който казано най-общо определя кога еталонът да подава стойности към измервателното устройство, определя обхватите, времето за измерване, точността.

Видове интерфейси Основните компоненти на компютърно базираните инструменти са интерфейс картите,

чрез които стационарните такива комуникират с компютъра. В дисертационния труд по-подробно са разгледани характеристикитена GPIB поради факта, че този интерфейс беше използван основно при синтезирани на виртуалните системи за калибриране и проверка свързани с изпълнението на задачите.

Характеристики на GPIB GPIB, която се използва при създаването на виртуални системи, е цифрова, 24-

проводна, паралелна шина. Тя се състои от 8 линии за данни, 5 за управление, (ATN, EOI, IFC, REN и SRQ), 3 хендшейк линии и 8 линии маса. Използва 8 битова паралелна, байт-серийна, асинхронна схема за обмен на данни, което значи, че всички байтове последователно преминават хендшейк със скорост, определена от най-бавния елемент (участник) в обмяната. Поради факта, че единицата при GPIB е байт (8 бита) обмяната на съобщения често е кодирана като ASCII стринг от символи.

Сигнали за прекратяване обмена на данни

GPIB има три различни метода да сигнализира за край на обмена на данни. Това са хардуерна линия, край на стринг и брой байтове.

Мрежова топология Всяко устройство, включително компютърните интерфейсни карти, трябва да има уникален GPIB адрес в интервала от 0 до 30. Адрес 0 обикновено е предназначен за самата GPIB карта. Инструментите по GPIB могат да използват адреси от 1 до 30. За трансфер на команди или данни към инструмента, контролерът адресира един “talker” (предаващ) и един или повече „listeners” (приемащи). Стринговете данни приети и хендшейкнати през шината от предаващия към приемащия (приемащите). Устройствата могат да бъдат свързани в линейна топология, звезда или комбинация от двете. За постигане на висока скорост на обмен обикновено се налагат следните ограничения:

9

- Максимално разстояния от 4 метра между всеки две устройства и средно разстояние от 2 метра за цялата шина;

- Максимална обща дължина на кабела не по-голяма от 20 метра; - Не повече от 15 устройства на всяка шина с не по-малко от 2/3 от тях включени;

Основната част при разработването на автоматизирана система за проверка и калибриране е създаването на драйвери (програми за управление), които да управляват калибратора и цифровия мултимер. Съществуват два подхода при изпълнението на такава задача. Първият изисква разработване на нов драйвер, следвайки предварително известни правила. Вторият се състои в модифициране на вече съществуващ драйвер (шаблонен драйвер) в такъв, който да изпълнява функциите на проектираната система.

Моделиране и разработване на LabVIEW Plug&Play драйвер

Този драйвер представлява съвкупност от виртуални инструменти за управление на програмируеми инструменти. Всеки виртуален инструмент е предназначен за някаква операция напр. конфигуриране, превключване, прочитане на измервателната информация от инструмента. Драйверите помагат на потребителите да започнат да използват инструмента през техния компютър като намяляват времето и разходите тъй като не е нужно да учат програмния протокол за всеки инструмент. Модулното проектиране прави приспособяването на драйвера към конкретните нужди по-лесно. Използването на стандартната архитектура за всички LabVIEW драйвери за инструменти има следните предимства - подобрява съвместимостта на драйверите, подобрява качеството на драйверите, минимизира повтаряемостта на операциите за създаването, улеснява крайният потребител, осигурявайки последователност в методологията за използването на драйверите от различни източници, опростява процеса на разработване на драйвери.

Модел на LabVIEW Plug&Play драйвер Моделът на LabVIEW Plug&Play драйвер е изграден върху две структури – вътрешна и

външна. Външната структура показва как драйвера взаимодейства с потребителя и други софтуерни компоненти на системата. Вътрешната структура показва вътрешната организация на софтуерния модул на драйвера. Външна структура на драйвера

Основен елемент в структурата е програмируемия интерфеси или т. нар. API (Application programming interface) - виртуални инструменти, които потребителя извиква от приложения от по-високо ниво. Фигура 3.4 показва как драйверът взаимодейства с останалата част от системата.

Фигура 3.4 Външна структура на LabVIEW драйвер

Вътрешна структура на драйвера

Вътрешната структура на драйвера дефинира организацията на ВИ драйвера. Всички достъпни за потребителя API виртуални инструменти са организирани в модулна йерархия базирана на функционалността на инструмента.

Фигура 3.5 показва вътрешната структура на LabVIEW драйвер. Крайният потребител може да инициализира всички инструменти наведнъж в началото, да конфигурира множество инструменти, след което да превключва няколко инструмента едновременно. Възможно е и да

10

се инициализира и конфигурира даден инструмент веднъж, след което той да се превключва и чете от него многократно.

Фигура 3.5 Вътрешна структура на LabVIEW драйвер

Разработване на LabVIEW драйвер Разработването на LаbVIEW драйвер по методичен принцип може да бъде разделен на две.

Фигура 3.5 Методи за разработване на LabVIEW драйвер

Изборът на метод зависи от познанията и възможностите на проектанта, както и от наличните ресурси. В световната мрежа съществуват и могат да бъдат намерени, свалени и използвани (в повечето случаи безплатно) много и различни LabVIEW приложения. В това многообразие се включват и виртуални инструменти за управление на различни видове и от различни производители измервателни уреди. При това положение значително по оправдано от гледна точка на икономия на време и труд е изборът на метода на модифициране при разработване на LabVIEW драйвер. Този метод най-общо се изразява в промяна на вече съществуващ драйвер са инструмент изпълняващ същите функции като този, който ще бъде упрваляван. Степента на модифициране изцяло зависи от специфичните характеристики на инструмента и поставените изисквания към функциите, които драйвера трябва да изпълнява.

В някои от случаите ,обаче модифициране е невъзможно тъй като няма разработен драйвер предварително. Съществуват случаи, когато се намира драйвер за подобен инструмент, но протоколът за управление на интефейса не е унифицирам и командите за управление синтактично са напълно различни. Пример за това са уреди управлявани с интерфейс IEEE 488.1. При тази ситуация се налага създаване на нов драйвер. За да може обаче, този драйвер да бъде използван и за други подобни приложения и да дава възможност за модифициране се препоръчва при създаването му да се следват няколко стъпки. В Стъпка 1 се проектира структурата на драйвера. В Стъпка 2 се модифицира шаблон на ВИ драйвер. В Стъпка 3 се добавят допълнителни ВИ.

Тези стъпки са препоръчителни, а не задължителни. Не съществува стандарт, който да казва как трябва да бъде разработена една програма за управление на инструмент. Въпреки това следването на тези стъпки би улеснило значително модифицирането на драйвера, ако това се налага и би довело до известна степен на унифициране на разработените приложения, обслужващи едни и същи функции.

11

ГЛАВА 4. КАЛИБРИРАНЕ И ПРОВЕРКА НА СРЕДСТВАТА ЗА ИЗМЕРВАНЕ

Увод Настоящата глава разглежда елементи от методиката и подходите свързани с

провеждане на калибриране и проверка на средства за измерване, като по специално тук се отделя внимание на следните въпроси: определя изискванията, методите, еталоните, техническите средства, обработката и представянето на резултатите от калибриране на електронни мерки, калибратори, делители и цифрови волтметри за постоянно напрежение (по нататък в текста “волтметри“), използвани самостоятелно или като част от мултимер. Методиката се отнася за електронни мерки, калибратори и волтметри с обхват от 10 mV до 1000 V с не по-малка от 3 ½ разрядна индикация.

Същност на метода за калибриране Метод за калибриране на СИ При калибрирането на електронни мерки, калибратори и волтметри се използва пряк

метод на измерване, т.е. чрез електронна мярка/калибратор се задават номинални стойности на напрежението в точките на калибриране за всеки един обхват и се отчитат стойности с волтметър. Процесът на калибриране е автоматизиран като за целта е разработен софтуерен модул на база LabView. Изискването към калибратора и калибрирания волтметър е те да имат техническа възможност за управление, чрез съответен интерфейс.

Чрез електронна мярка/калибратор се задават номинални стойности на напрежението в точките на калибриране за всеки един обхват и се отчитат с волтметър.

Използвани технически средства Изисквания при калибрирането Калибрирането се извършва с калибратор с обхват, съответстващ на обхвата на

калибрирания волтметър. Необходим е барометър с разделителна способност 0,01 hPa и обхват, включващ

атмосферното налягане при калибрирането. Препоръчително е да се спазва отношение 3:1 между годишната спецификация на

калибрирания уред и неопределеността на еталона от свидетелството му за калибриране. Метрологичните и техническите характеристики на СИ са дадени в техните ТОИЕ.

Изисквания към СпСИ За регистриране на условията на околната среда се използват термометър с

разделителна способност 0,1 °C и обхват, включващ температурата на калибриране и влагомер с разделителна способност 1 % RH и обхват от 20 % RH до 70 % RH.

Условия на калибриране При извършване на калибрирането се спазват изискванията към околната среда в

сектора според ЕМИ-И-503-02-01. Провеждане на калибрирането Подготовка за извършване на калибрирането Преди започване на калибрирането се извършва външен оглед на уредите за

установяване на пълно окомплектоване съгласно ТОИЕ, отсъствие на механични повреди и наличие на необходимата идентификация.

Спазват се изискванията за предварителна подготовка на СИ, участващи в калибрирането, според ТОИЕ и специализирани международни научни публикации. При техническа възможност се извършва функционален тест и/или автонастройване (ACAL/SELFCAL) на волтметрите.

12

Мерки за безопасност При работа с уредите се спазват изискванията на “Инструкция по безопасност на труда

в сектор ЕМИ” и специфичните изисквания за безопасност, посочени в техните ТОИЕ. Настройване на волтметрите Настройване се извършва при техническа възможност в случаите на установяване на

грешки на волтметъра, по-големи от допустимите, спрямо годишната спецификация в ТОИЕ и заявено желание на клиента или изискване на клиента за настройване преди калибриране.

Настройването на волтметрите се изпълнява съгласно техните ТОИЕ, след което те се калибрират.

Ред за извършване на калибрирането Преди започване на измерванията се извършва закъсяване на кабелите и нулиране на

волтметъра на съответния обхват. Стойностите се определят чрез многократни измервания (не по-малко от десет на брой)

или чрез измерване на горна и долна граница в случаите на бързо изменящи се във времето стойности на измерваната величина.

Обработка на резултатите от калибриране Калибриране по пряк метод на измерване Модел на измерване Оценката на поправената стойност на резултата от измерване се описва със следните

математични модели в зависимост от СИ, което се калибрира, в единицата на измерваната величина:

(4.1)

resdr UUUUU δδδ +++=

където U - напрежение, отчетено от еталонния волтметър;

Uδ - поправка на измереното с волтметъра напрежение; drUδ - поправка от дрейф на измереното с волтметъра напрежение след неговото

последно калибриране; resUδ - поправка на измереното напрежение, дължаща се на разделителната

способност на волтметъра. Тази поправка се включва в бюджета на неопределеност само при измерване в режим с по-малка разделителна способност, в сравнение с режима при калибриране на еталона. Поправката Uδ се определя от свидетелството за калибриране на калибратора. Анализ на неопределеността Средноквадратичната неопределеност )( Uu δ , свързана с еталона, се взима от

свидетелството му за калибриране. В случаите, когато не е известна, се определя чрез линейна интерполация между две известни стойности на неопределеността за съответния измервателен обхват на еталона или чрез експертна оценка от натрупан опит.

Коефициентите на чувствителност за предложения модел са равни по абсолютна стойност на единица.

В случаите, когато надеждността на средноквадратичната неопределеност трябва да се потвърди, се определят ефективни степени на свобода effν по формула (E.1) от [76]. Ако получената стойност не е цяло число, то тя се закръгля до съседното по-малко. Въз основа на тази оценка се избира стойност на коефициента на доверителен интревал от таблица G.2 от [77] за вероятност 95 %.

При автоматизираното калибриране първичните данни и неопределеностите се обработват от съответните програмни продукти.

13

Представяне на резултатите от калибриране Резултатът от калибрирането се оформя в таблица, която съдържа информация за

номинална стойност на калибрираната електронна мярка/обхват на калибрирания уред, задавана/действителна стойност на напрежението (номинална за калибратори, за делители не се дава), действителна стойност/измерена стойност), неопределеност на измерването.

Ред за провеждане на проверката на средства за измерване Проверката на средства за измерване се извършва за всеки обхват на средството за

измерване по пряк метод на измерване. Чрез еталон се задават поне 10 точки (стойности) на измерваната величина, равно-интервално разположени в обхвата на средството за измерване. За всяка точка от обхвата се провеждат поне 10 многократни измервания. Изчисляват се средните стойности за всяка точка и се определя абсолютната грешката, изчислява се относително-приведената грешка, която се сравнява с класа на точност на средството за измерване в съответния обхват. Средството за измерване е издържало проверката за съответния обхват, ако всички относително-приведени грешки са по-малки от класа на точност (граничната стойност на приведената грешка), отчетена от техническата документация на средството за измерване.

Препоръчително е да се спазва отношение 3:1 между годишната спецификация на проверявания уред и неопределеността на еталона от свидетелството му за калибриране. Метрологичните и техническите характеристики на СИ са дадени в техните ТОИЕ.

ГЛАВА 5. ИЗМЕРВАТЕЛНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ ЗА ТЕМПЕРАТУРА И ПРЕМЕСТВАНЕ

Общи сведения за измерването на температурата

Температурата е една от най-често измерваните величини. Чрез нея се определят биологичните условия на дадена среда и може би, затова тя е от първите измервани величини. Ето защо областта от науката за измерванията – метрологията, която се занимава с методите и средствата за измерване на температурата, е актуална и се развива непрекъснато. Особено актуален е въпросът за повишаването на точността при измерване на температура, тъй като в много практически случаи това е свързано с намаляването на енергийните разходи.

Видове средства за измерване на температура Термометрите в зависимост от скалата, физичните зависимости и веществата използвани за построяването на тези уреди, те биват - Термометри на основата на разширение на телата, термосъпротивителни термометри, термоелектрически термометр, оптични пирометри, специални.

За целите на дисертационният труд бяха избрани двата може би най-популярни сензора за измерване на температура – терморезитор и термодвойка, затова на кратко ще бъдат представени техните основни характеристики.

Принципът на действие на термосъпротивителните термометри (ТСТ) се основава на свойството на електропроводимите материали да изменят своето електрическо съпротивление при промяна на температурата. Най-широко приложение за направа на ТСТ са намерили чистите метали. Тяхното специфично съпротивление се определя по формулата: ρ=1/(n_e μ_) , (5.1) където n_, m-3 е броят на свободните електрони в единица обем; e, C – зарядът на електрона; μ_, m2/Vs – подвижността на електроните, числено равна на скоростта, която те биха имали в електрическо поле с итензитет единица.

Термодвойки През 1821, немско-естонският физик Томас Йохан Зеебек открил, че когато някой

проводник бъде нагрят неравномерно, той ще генерира напрежение. Това е известният термоелектрически ефект или ефект на Зеебек. Всеки опит за измерване на това напрежение

14

налага свързването на друг проводник към горещия край. Този допълнителен проводник следователно също ще бъде подложен на изменение на температурата си и ще създаде напрежение противопоставящо се на напрежението в разглеждания проводник.

В практиката често не е известна температурата на студения край на термодвойката затова се вграждат допълнителни термочувствителни устройства (термистори или диоди) за да се измери температурата на входа на инструмента, като се предприемат специални мерки за намаляване на температурните разлики на клемите. Така, напрежението на студения край може да бъде симулирано и с негова помощ да се поправи крайния резултат от измерването. Това е известно като компенсация на студената връзка(cold junction compensation). По принцип тази компенсация може да се изпълни и от софтуер.

Измервателни преобразуватели за измерване на преместване

В практиката съществуват различни по тип и принципи преобразуватели за измерване на широк набор от физични величини. В настоящия дисертационен труд вниманието е насочено към два от тях – капацитивен и индуктивен. Различни конфигурации на тези два типа преобразуватели, включени в различни измервателни схеми, са изследвани и проведените с тях експерименти са анализирани.

Индуктивни преобразуватели Индуктивни се наричат преобразувателите, при които под въздействието на входната

величина се променя индуктивността на преобразувателя. Тя обикновено е включена в електрическа верига, на която променя параметрите. Индуктивността се променя като се влияе по подходящ начин на някой от определящите я параметри. В зависимост от това кой именно е избран, принципите на построяване и конструкцията са различни. Общото е, че промяната на индуктивността води до изменение на индуктивното съпротивление, което от своя страна променя тока в електрическата верига. Най-често за индуктивност се използва бобина с феромагнитна сърцевина във вид на отворен или затворен магнитопровод. Известни са различни видове индуктивни преобразуватели, но най-разпространени са дроселните и соленоидните.

Капацитивни преобразуватели Капацитивните преобразуватели представляват кондензатори, които променят

капацитета си под въздействие на входната величина. Когато се използват за измерване на преместване (линейно или ъглово), се състоят от подвижен и неподвижен електрод. Подвижният се закрепва към обекта, чиито параметри на движението подлежат на измерване. При преместването се изменя капацитетът на преобразувателя.

В най-общ случай капацитетът на кондензатор е функция на диелектричните свойства на средата ε и пространствените характеристики на полето g, т.е. C = f (ε, g). Капацитетът на плосък кондензатор (Фиг. 5.13), състоящ се от два електрода с размери а×b и площ на припокриване s = a.b, разположени на разстояние δ един от друг (при δ << а/10 и δ << b/10) се определя с формулата:

δεε sC .0=

, (5.18) където: ε0 е диелектричната проницаемост на вакуума ε0=8,854.10-12 F/m;

ε - диелектрична проницаемост на средата между електродите. (За въздух относителната диелектрична проницаемост ε = 1,0005) ;

s = a.b – площта на напречното сечение на припокриване на електродите. На тази основа се изграждат два типа капацитивни преобразуватели за измерване на

линейно преместване – с промяна на разстоянието между електродите и с промяна на площта на припокриване на електродите, които са разгледани подробно в дисертациниия труд.

Схеми и методи за измерване на физични величини с капацитивни и индуктивни

преобразуватели Най-предпочитани при измерване на физични величини с преобразуватели са мостовите

15

схеми тъй като те се характеризират с голяма точност при измерването в равновесен режим. В този режим показанието е независимо от калибрирането и неопределеността на отчитащото устройство. Много често обаче методите за измерване, използващи мостови схеми, са неподходящи поради специфични характеристики на измервателните преобразуватели и за това се прибягва до други, удобни схеми за измерване, използващи различни математически зависимости на измерваната величина от характеристиката на преобразувателя.

Измервателни мостове Мостовите схеми могат да бъдат конструирани да измерват различни величини (не само

съпротивления) като капацитет, индуктивност или дори качествен фактор. Както при всички мостови схеми неизвестната величина е в „равновесие” с известна, стандартизирана, с висока точност компонента, която може да приема различни стойности (да бъде настройвана), така че нулевият индикатор да покаже, че мостът е в равновесие. В зависимост от настройките на моста, неизвестната стойност на измерваната величина може да бъде отчетена пряко от настройваната компонента, включена в схемата или изчислена от математическа зависимост.

В дисертационния труд са разгледани различни мостови схеми на база единичен мост за измерване на капациетет и индуктивност.

Проблем свързан с чувствителността на променливо токовите мостове е паразитния капацитет между краищата на нулевия индикатор и земята. Поради факта, че кондензаторите могат да провеждат променлив ток чрез зареждане и разреждане се формира паразитен ток към източника на променливо напрежение, който може да повлияе на равновесното състояние. Друг проблем при мостовите методи е, че е много трудно с тях да се измерват малки капацитети. Затова се налага използването на други методи, когато се упоребяват преобразуватели за детектиране на малки капацитети.

Резонансен метод за измерване на физични величини с капацитивни и индуктивни

преобразуватели В измервателна система, която използва преобразувател, е важно състояннието на

величината, която трябва да бъде измерена. Може би една от най-често използваните измервателни схеми в този смисъл е т.нар резонансна схема или трептящ кръг. Тя съдържа индуктивност и капацитет, които работят в резонанс. Принципите на тази схема лежат на добре познатата формула в резонансна верига:

LC

fr π21

= , (5.30)

откъдето се вижда, че при промяна на C или L се изменя и резонансната честота fr.. В измервателната схема може да се включи усилвател. Такава схема се нарича осцилатор /вибратор/. Тя дава на изхода си синусоидален сигнал с честота определена от резонансната честота на LC схемата. Така, ако резонансната честота, се промени поради промяна на C или L, честотата на изходния сигнал на осцилатора също се изменя.

ГЛАВА 6. АПАРАТНО И ПРОГРАМНО ОСИГУРЯВАНЕ НА РАЗРАБОТЕНИТЕ ВИРТУАЛНИ ИЗМЕРВАТЕЛНИ СИСТЕМИ

Апаратно и програмно осигуряване на виртуална автоматизирана система за

проверка точността на цифров волтметър FLUKE 8842A Виртуалната автоматизирана система за проверка на точността на цифров мултимер e

реализирана на база затворената система за калибриране описана в глава 3. Проверката e направена на цифров мултимер FLUKE 8842A в режим на измерване на постоянно и променливо напрежение. За калибратор (еталон) условно е използвана платформата ELVIS II.

В режим на проверка точността при измерване на постоянно напрежение беше използван вградения управляем източник на постоянно напрежение с обхват от 0V дo 12V на ELVIS II, а в режим на проверка точността при измерване на променливо напрежение

16

вградения функционален генератор с възможности за автоматично управление на параметрите на генерираното напрежение.

За комуникация с цифровия измервателен уред беше използван интерфейс тип GPIB. При проучването на документацията на FLUKE 8842A се оказа, че комуникацията с уреда се осъществява по стандарт IEEE 488.1. Готов драйвер за управление на измервателното устройство с LabVIEW не беше на разположение, което означаваше, че трябва да се приложи един от подходите, описани в трета глава. За изпълнение на поставената задача трябваше да се напише драйвер за управление функционалността на измервателното устройство. Проектирането на такъв драйвер протече на два етапа:

1) Проучване на документацията на цифровия мултимер с цел запознаване с командите и синтаксиса им.

2) Проектиране и изграждане на драйвер ВИ в LabVIEW. Като цяло създаването на виртуален инструмент за управление процеса на проверка точността на цифровия волтметър беше разделен на три етапа:

1) Създаване на виртуален инструмент в LabVIEW за управление на източниците на напрежение на ELVIS II.

2) Създаване на ВИ драйвер в LabVIEW за четене на измервателна информация от FLUKE 8842A.

3) Обединяване на двата виртуални инструмента в обща програма (виртуален инструмент) за управление на автоматизираната виртуална система за проверка точността на цифровия волтметър.

ВИ драйвер за четене на измервателна информация от FLUKE 8842A За реализирането на този драйвер беше използван опростен алгоритъм за реализиране на структурите на LabVIEW Plug&Play драйвери описани по-горе. Проектираният драйвер за четене на данните от измервателния инструмент работи по следния алгоритъма представен с блок схемата на фигура 6.2.

В началото на алгоритъма се инициализират GPIB адресите на уредите участващи в процеса на калибриране и проверка – калибратора и мултимера (мултимерите). В следващата стъпка се отваря VISA сесия за комуникация с тях като се използва информацията за адресите от предходната стъпка. Следва уредите да се идентифицират т.е. да се определи кой каква функция ще изпълнява в процеса на проверка и калибриране. Последна стъпка от този, може да бъде наречен, предварителен процес е определянето на броят величини N, които ще бъдат измерване. Достигането на N ще бъде условие за прекратяване на процедурата. В същинската частна процедурата следва генериране на измерваната величини с определена стойност, която се прочита от измервателния уред. Процедурата изисква за всяка стойност на величината да се направят поне 10 измервания в текущата точка, затова се проверява дали това условие е изпълнено. Ако не е така, се прави следващо измерване за същата стойност на измерваната величина, като предварително се проверява готовността на измервателния уред за това, т.е. дали е приключило предходното измерване. Ако е достигнат зададения брой измервания 10, програмата прочита стойността на работния обхват, при който е направено измерването (обикновено процедурата се провежда в режим на автоматичен обхват). Във следващата стъпка се правят изчисленията съответни за процедурите за проверка и калибриране, след което се проверява дали е завършена процедурата, като се следи дали са измерени всички зададени величини.

17

Фигура 6.2 Блок-схема на алгоритъма на работна ВИ драйвер за четене на измервателна

информация

Апаратно и програмно осигуряване на виртуална автоматизирана система за калибриране на цифров мултимер Keithley 2000 с калибратор DATRON 4808.

Целта на тази задача беше да се изпита създадения алгоритъм в реална лабораторна среда. Тази система беше разработена за нуждите на ДП РВД, Сектор “Лаборатория за калибриране и проверка на средствата за измерване”.

Разработената автоматична система за калибриране на цифров мултимер е на база затворена система за калибриране от глава 3. Калибраторът е на фирмата DATRON тип 4808 [80], а цифровия мултимер е Keithley 2000. За връзка с компютъра се използва GPIB интерфейс като устройствата са свързани в топология тип „звезда” (фиг. 3.3). За реализиране на системата трябваше да се създаде ВИ драйвер в средата на LabVIEW. Драйверът за мултимера беше достъпен на сайта на National Instruments и трябваше да се модифицира към конкретната задача. Предизвикателство представляваше драйвера за калибратора, който не можеше да бъде намерен готов. Този проблем можеше да бъде решен или чрез модифициране на друг драйвер за калибратор на същия производител или чрез разработване на нов такъв. След анализиране на двете възможности се оказа, че модифицирането на драйвер е по-сложната задача т. к. версията на интерфейса използвана при 4808 е по-стара. Това означава, че синтаксиса и самите команди за запис и четене съществено се различават от стандарта IEEE 488.2, на който са изградени комуникационните GPIB връзки между съвременните средства за измерване и контрол. Следователно създаването на виртуален инструмент за управление на процеса на калибриране беше разделен на три етапа:

1) Създаване на драйвер за калибратора DATRON 4808 2) Модифициране на драйвера на Keithley 2000 достъпен в интернет

18

3) Свързване на двата дарйвера в обща програма Създаването на драйвер за DATRON 4808 протече на два етапа:

1) Проучване на документацията на калибратора с цел запознаване с командите и синтаксиса им. 2) Проектиране и изграждане на драйвер ВИ в LabVIEW по алгоритъма описан в

6.1. Системата за калибриране има 4 режима – постоянно напрежение, постоянен ток,

променливо напрежение, променлив ток. За всеки от тези случаи трябваше да се разработи отделен виртуален инструмент, който да управлява калибратора.

Апаратно и програмно осигуряване на виртуална система за изследване

характеристиките на термопреобразуватели Виртуалният инструмент за изследване характеристиките на термопреобразувателите съдържа два основни помощни виртуални инструмента. Първият се използва за измерване на температура с терморезисторен преобразувател тип Pt100, а втория за измерване на температура и изследване характеристиките на термодвойка тип К. Като за компенсация на температурата на студените краища се използва тази, измерена с терморезисторния преобразувател, т.е. изходната величина на първият помощен виртуален инструмент се използва като входен параметър за втория.

Виртуален инструмент за измерване на температура с терморезисторен преобразувател Блок диаграмата на този виртуален инструмент е представена на фигура 6.7.

Фигура 6.7 Блок диаграма на виртуален инструмент за измерване на температура с Pt100

Както е известно основна особеност и в голяма степен недостатък при използването на терморезисторни преобразуватели е осигуряването на стабилен източник на възбудителен ток. Без такъв източник извършването на коректна измервателна процедура е невъзможно. За преодоляване на този проблем върху платформата ELVIS II беше реализирана електронна схема на стабилен източник на ток представляващ преобразувател напрежение-ток

Виртуален инструмент за измерване на температура с термодвойка Блок-диаграмата на този виртуален инструмент е представена на фиг. 6.9

Фигура 6.9 Виртуален инструмент за измерване на температура с термодвойка

Входни параметри за системата са номера на физическия канал, през който се събират данните, вида на термодвойката и стойността на температурата на студените краища. За повишаване на точността се прочитат 10000 семпъла.

19

Виртуална система за изследване характеристиките на термодвойка тип К Беше създаден виртуален инструмент, който има два режима на работа: 1. Характеристики 2. Времеконстанта

Фигура 6.10 Преден панел на ВИ за изследване характеристиките на термодвойка тип К.

В първия режим термодвойката се поставя в подходяща среда (например съд с вода), чиято температура се повишава постепенно. Важно е да е изпълнено условието студените краища на термодвойката и терморезистора за компенсация да са поставени при едни и същи условия ,т.е.

Tcj=Tenv , (6.1) където Тcj е температурата на студените краища на термодвойката, а Tenv е температурата измерена с терморезиствиния термометър. Измерената от термодвойката температура се сравнява с температурата изчислена по формулата: Teval = a0 +x (a1 + x(a2 + x (a3 + x(a4 + a5x)))), (6.2) където Тeval е изчислената температура в ºC, а x е измереното термо е.д.н. Коефициентите а0, а1, а2, а3, а4 и а5 се взимат от таблица. Резултатите се сравняват във файл в удобен за анализ вид (Приложение 7). ВИ позволява да се задава крайна температура, при чието достигане ВИ спира изпълнението. Работата на системата може да бъде прекратена във всеки един момент с натискане на бутона STOP. Вторият режим на работа служи за изчисляване на времеконстантата на термодвойката

)ln()ln( 1

1

ннk

tθθθθ

τ−−−

= (6.3)

Началната температура θн в този режим обикновено е близка (по-ниска) до крайната от предния режим. Потребителят (студентът) определя крайната температура θ1, която преустановява работата на ВИ и се изчислява времеконстантата. θн е температурата на околната среда, в която се поставя термодвойката.

Фигура 6.11 Преден панел за изследване на характеристикте на термодвойка в режим на определяне на времеконстантата на термодвойката

Така създадената виртуална система за изследвана характеристиките на термодвойки може да бъде управлявана по Интернет, като експеримента ще се извършва в реално време от един потребител, а броят на останалите, които са само наблюдатели зависи от версията на използвания софтуера (LabVIEW).

20

Виртуална система за изследване свойствата на терморезистивен преобразувател тип Pt100

Тази виртуална система беше създадена с цел да бъде използвана в учебния процес за разбиране принципа на работа на терморезистивния преобразувател, изследвана и оценка на точността, както сравняване с друг вид преобразувател – термодвойка. Предният панел и блок диаграмата на тази система са представен на фигура 6.12. Фигура 6.12 Преден панел и блок диаграма на виртуална система за изследване свойствата на

терморезистивен преобразувател тип Pt100

Измерват се температурата с терморезистор Pt100 и термодвойка тип К по оказания в т. 6.3.2 и т. 6.3.3 начини. За изследване на зависимостта на температурата на терморезистора от съпротивлението и аналитичното изчисляване на температурата по формула (6.4) се измерва и съпротивлението на терморезистивния преобразувател, като се използва възбудителен ток със същата големинa, както при т.2.5.3. )( 1

12

121 tt

tt

RRRRtt

tT +−−

+= , (6.4)

където Rt1=108,96 Ω, a Rt2 = 110,51 Ω са взети от таблица за температури съответно t1=23ºC и t2=27ºC Възможно е и изчисляване на температурата с използване на коефициентите A=0.0039083 и B=-577.10-9 от зависимостта (6.5)

BRRRARARAR

T t22

0 )−−−

0

000

2(4+

= Изчислява се разликата от измерената с терморезистивния преобразувател температура и изчислената от измереното съпротивление, както и разликата от измерената с терморезистивния преобразувател и измерената с термодвойката температури. Резултатите се записват в .xls файл при натискане на бутона за запис от потребителя (Приложение 8). След прекратяване на измервателната процедура, което се указва с натискане на червения бутон върху екрана създадения файл се изпраща на електронната SMTP поща на потребителя, записана в сивото поле върху екрана. Върху екрана се изчертава графика със стойностите на измерената температура с терморезистивния преобразувател и термодвойката.

Прави се измерване при стайна температура. Терморезисторът, топлият и студените краища на термодвойката се поставят при едни и същи условия.

Апаратно и програмно осигуряване на виртуална среда за интелигентни

измервания на линейно преместване с капацитивни преобразуватели Задачата е да се създаде универсален алгоритъм и да се проведат експерименти с

използване на различни методи за измерване на линейно преместване с различни видове капацитивни преобразуватели.

Апаратно осигуряване на виртуална среда за интелигентни измервания на

линейно преместване с капацитивни преобразуватели Апаратното осигуряване на разработената система се състои от:

- преобразувател; - измервателна схема;

21

- модул за събиране на данни; - компютър. За изпълнението на тази задача от дисертацията бяха използвани два вида капацитивни

преобразуватели – капацитивен преобразувател с промяна разстоянието между електродите и капацитивен преобразувател с промяна на площта на припокриване между електродите. И двата вида преобразуватели са продукта на фирмата FEEDBCAK INSTRUMENTS LTD. и се използват за измерване на линейно преместване. Капацитивните преобразуватели с промяна на площта на припокриване между електродите позволяват измервания на по-големи премествания (до 50 mm) в сравнение с капацитивните преобразуватели с промяна на разстоянието между електродите (до 5 mm). Характерна особеност и на двата преобразувателя, е, че промяната на капацитета при преместване е много малка от порядъка на 1-2 pF.

За измервателна схема беше решено да се използват двата основни метода при измерване с капацитивни и ндуктивни преобразуватели – мостов и резонансен метод.

Програмно осигуряване на виртуална среда за интелигентни измервания на

линейно преместване с капацитивни преобразуватели За работна среда за реализиране на програмната част на системата беше използван

продукта на компанията National Instruments LabVIEW. На фигура 6.15 е показана блок схемата на алгоритъма за работа на виртуалната система

за интелигентни измервания на линейно преместване с капацитивен преобразувател с използване на резонансен метод.

Фигура 6.15 Блок диаграма на алгоритъм за работа на виртуална измервателна система

за интелигентни измервания на линейни премествания с капацитивен преобразувател по резонансен метод .

В началото се установява нулевата (началната позиция), след което на всяка итерация от

измервателния цикъл се променя тази позиция, измерва се честотата на осцилатора, по математическа зависимост се изчислява капацитета. Данните се записват и след приключване на измерванията може да се построи зависимостта C=f(l). Важна стъпка в цикъла е филтрирането на сигнала тъй като наличието на паразитни честоти при измерването ще доведе до грешни изчисления и неверни резултати. В разработената интелигентната измервателна система филтрирането е част от виртуалния инструмент (програмата), извършващ анализа, обработката и представянето на резултатите.

22

ГЛАВА 7. РЕЗУЛТАТИ ОТ ПРОВЕДЕНИТЕ ЕКСПЕРИМЕНТИ С РАЗРАБОТЕНИТЕ ВИРТУАЛНИ ИЗМЕРВАТЕЛНИ СИСТЕМИ

Резултати от експериментите проведени с виртуална автоматизирана система за проверка точността на цифров волтметър FLUKE 8842A

Резултати при постоянно напрежение Таблица с получените резултати, записани във файл е показана в приложение 9. На фиг. 7.1

са показани графики на относителната и приведената грешка съответно за обхвата от 2V (черната крива) и 20V (червената крива).

2V 20V 2V 20V

Фигура 7.1 Относителната и приведената грешка във функция от измерената стойност.

При анализа на грешките трябва да се отчете факта, че източникът на напрежение в действителност не е еталон. Допускането, че ELVIS II подава напрежение с висока точност беше направено само за целите на експеримента и да се покажат принципите на една такава автоматизирана виртуална система за проверка на точността. От спецификацията се знае, че приведената грешка, която в действителност може да внесе неточност в процеса на проверка е 0,8 %.

От графиките се забелязва, че в началото на обхватите грешките се различават по стойност при увеличаване и намаляване на напрежението, докато в края стойностите са почти равни. От това могат да се направят следните изводи:

- грешката в края на обхвата се внася основно от източника на еталонно напрежение; - грешката на цифровия мултимер оказва влияние върху резултата в началото на

обхватите. Това потвърждава теорията, че по-точни измервания се правят при стойности на измерваната величина, близки до номиналната стойност. Резултати от проверката при променливо напрежение На фигури 7.3 са показани графики на изменението на относителната приведената

грешки спрямо стойността на измерваната величина за различните обхвати и честотa 50 Hz.

Фигура 7.3 Oтносителната и приведената грешка във функция от стойността на измерваното

напрежение за честота 50 Hz и обхвати 0,2V и 2V

От графиката се вижда, че относителната грешка е най-голяма при стойности на измерваното напрежение в първите 10% от обхвата. Тази грешка около стойност на

23

напрежението 0V най-вероятно се дължи не на изследвания измервателен уред, а на функционалния генератор ELVIS II, който не подава чиста нула. Видно е също, че стойността на приведената грешка за обхват 0,2V не схожда към нула с приближаване на стойността на измерваното напрежение към границата на обхвата. В обхвата 2V обаче след първоначалните си високи стойности тя започва да се колебае около нулата при увеличаване на стойността на измерваното напрежение. Това означава, че при по-високи напрежения влиянието на грешката на функционалния генератор намалява.

От анализа на резултатите получни след провеждане на проверката за честоти 1kHz и 10 kHzмогат да се направят същите изовди, както за проверката при честота 50 Hz.

От направените експериментални изследвания на автоматизираната виртуалната система за проверка точността на цифров мултимер FLUKE 8842A с условно приет източник на еталонни напрежения платформата на National Instruments ELVIS II могат да се направят следните изводи:

- По-високите стойности на относителната и приведената грешка при по-ниските напрежения за всички изследвани режими, обхвати и честоти се дължи на неточност на източниците, приети за еталонни.

- Разликата в стойностите на изчислената за една и съща точка стойност на грешката е по-голяма при по ниски стойности на напрежението, което се дължи до голяма степен на източника, който внася грешка в измерването.

- Направените изследвания при три различни честоти в обхвата на ниските, средни и високи честоти показва, че грешката не се променя, от което може да се заключи, че точността на измерването не зависи от честотата при променливо напрежение.

- Така проектираната и реализирана система може да бъде използвана и за решаване на обратната задача, а именно проверка точността на източника на напрежение. Резултати от експериментите проведени с виртуална автоматизирана система за

калибриране на цифров мултимер Keithley 2000 с калибратор DATRON 4808. Тази система беше разработена за нуждите на ДП РВД, Сектор “Лаборатория за

калибриране и проверка на средствата за измерване”. Поставените изисквания бяха да се разработи автоматизирана система, която да повиши бързодействието и качеството на процеса на калибриране на цифрови мултимери Keithley 2000 с еталона DATRON 4808. Експерименталните резултати показаха възможности за оптимизация на следните параметри на лабораторията:

- повишаване на бързодействието за извършване на процедурата по калибриране; - повишаване на производителността на труда; - намаляване влиянието на човешки фактор. От направените анализи могат да бъдат направени следните изводи:

1) Избора на подходящ софтуер е от огромно значение при създаване на такава система. Развитието на компютърните технологии и в частност на виртуалните инструменти благоприятства разработването на различни системи за измерване и контрол на голямото разнообразие от инструменти на пазара.

2) За програмното реализиране на системата е необходимо създаването на драйвер ВИ за управление на инструментите. Използват се два подхода- модифициране на съществуващ вече драйвер и създаване на нов такъв. И в двата случая за постигане на универсалност на драйверите се препоръчва спазването на определени правила.

3) Създаването на нов драйвер се налага поради спецификата на интерфейса на еталона DATRON 4808. Това усложнява задачата по разработването на системата тъй като този драйвер изисква значително по различна структура от широко разпространените (IEEE 488.2). Синтаксисът на командите също се различава съществено.

4) Реализирана интелигентна система за калибриране работи ефективно и изпълнява разработения алгоритъм. Виртуалният инструмент за управление на процеса на калибриране помага на потребителя при работа, като извежда на екрана насочващи съобщения и други за грешки, ако възникнат такива.

24

5) Системата e интегрирана в лаборатории за калибриране и проверка на средства за измерване като иновация в тази област.

Резултати от експериментите проведени с виртуална система за изследване характеристиките на термопреобразуватели

В първата част на задачата беше конструиран виртуален термометър с терморезисторен преобразувател тип Pt100. Експерименталните резултати показани в таблица 7.1 от направените измервания с така конструирания виртуален термометър в температурния обхват между 20ºC и 90ºC бяха сравнени със стойностите отчетени от цифров термометър, приет за еталонен. Те показаха максимална стойност на абсолютната грешка от 0,4ºC, на относителната грешка от 0,67 % и на приведената грешка от 0,44 %.

Таблица 7.1

Тези резултати показват, че така конструираният термометър е достатъчно точен, за да може измерената от него температура да се използва за компенсация на студените краища на термодвойката.

Във втората част на задачата реализираният виртуален термометър беше използван в реализирането и изпитването на виртуална система за изследване характеристиките на термодвойка. Разработените виртуални инструменти и съответно виртуална система показаха добри резултати след направените експерименти, а именно че разликата в температурата измерена с терморезистора и термодвойката за 21ºC е -0,3 ºC. Тази разлика е в рамките на абсолютната грешка на терморезистивния преобразувател и в рамките на допустимата при измерване на температура с термодвойка тип К. Това може да се види от графиката на фиг. 7.9.

Compare T(Pt100)&T(TC)

18,519

19,520

20,521

21,522

22,5

TIME

17: 5

9: 41

17: 5

9: 46

17: 5

9: 51

17: 5

9: 56

18: 0

: 1

18: 0

: 6

18: 0

: 11

18: 3

: 22

18: 3

: 27

18: 3

: 32

18: 3

: 37

18: 3

: 42

TIME

Tem

pera

ture

(Deg

rees

Ce

lsiu

s) T(Rt100) T(TC)

Фигура 7.9 Резултати от сравнението на измерването на температура с терморезистор и

термодвойка.

От направените експериментални изследвания с реализраната виртуална система за изследване характеристиките на термодвойка тип К могат да бъда направени следните изводи:

- с помощта на виртуални инструменти могат да бъдат разработвани достатъчно точни и надеждни измервателни системи за измерване на температура използващи различни видове преобразуватели;

- ограниченията при такива разработки могат да се генерират единствено от възможностите на програмното осигуряване;

- разработената система е успешно приложена в курсове на обучение в областта на измервателната техника като част от виртуална лаборатория.

25

Резултати от експериментите проведени с виртуална среда за интелигентни измервания на линейно преместване с капацитивни преобразуватели

По изпълнението на тази задача бяха направени експериментални изследвания на разработената виртуална измервателна среда за интелигентни измервания с използването на капацитивни преобразуватели за линейни премествания с промяна на площта на препокриване на електродите и промяна на разстоянието между електродите. Системата беше изпитана при работа с две основни схемни решения – мостова схема и схема с осцилатор. За реализирането на мостовия метод за измерване беше използвана схема -мост на Вин. Резултатите от направените експерименти показаха, че използването на мостови методи за измерване на малки капацитети са трудно приложими на практика. Силно влияние при измерването оказваха паразитните капацитети и макар да бяха положени усилия за отстраняването на това влияние, резултатите от измерването не бяха задоволителни. При първоначалните тестове с използването на резонансен метод се получиха резултати, които дадоха основание за успешно разработване на алгоритъм за работа на система използваща капацитивни преобразувателите. Беше разработен алгоритъм за работа на системата. В средата на LabVIEW беше разработен виртуален инструмент, който да събира данните от изхода на осцилаторната схема, филтрира сигнала, измерва честотата на сигнала, изчислява капацитета и построява зависимостта му от преместването. Експериментите на системата проведени по създадения алгоритъм и със създадения виртуален инструмент показаха, че алгоритъмът се изпълнява правилно и програмата работи коректно. От направените експериментални изследвания могат да бъдат направени следните изводи:

- тази виртуална система след нейното пълно разработване може да бъде използвана в образователния процес в лабораторните упражнения, свързани с дисциплините по измерване на неелектрически величини;

- разработеният алгоритъм успешно може да бъде използван и за измервания с индуктивни преобразуватели тъй като изпълнението му не зависи от типа на оборудването по време на работа, а само от възможностите на програмното осигуряване.

ОСНОВНИ НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ

1. Синтезирана е обобщена структура на виртуална лаборатория за измерване на физични величини, въз основа на теоретична база и реално разработени решения. Структурата представя обобщен модел, който съдържа основните модули (структурни единици) характерни за всяка виртуална лаборатория и показва взаимодействието между тях. Разгледани са функциите на модулите и е анализрано тяхното значение при изграждането на виртуалната лаборатория.

2. Изведени са обобщени критерии за избор на програмно осигуряване за създаване на виртуални инструменти. Обоснован е изборът на конкретен програмен продукт за разработването на виртуална лаборатория за измерване на физични величини.

3. Синтезирана е схема за реализация на автоматизирана система за калибриране с приложение на виртуални технологии. Разгледана е физическата реализация на схемата, като са предложени препоръки за оптимално осъществяване на процесите на калибриране и проверка, както от гледна точка на програмното осигуряване, така и от гледна точка на интерфейса.

4. Синтезиран е обобщен алгоритъм за четене на измервателна информация, приложена в две различни виртуални автоматизирани системи за проверка и калибриране на цифрови измервателни уреди – едната приложена в лаборатории за калибриране, а другата в образователния процес.

5. Разработена е виртуална система за изследване характеристиките на термодвойки с приложена в лабораторните упражнения за измерване на неелектрически величини.

26

6. Синтезиран е алгоритъм за разработване на виртуална система за измерване на линейно преместване. Извършената работа е предпоставка за бъдещи изследвания и реализации.

СПИСЪК НА НАУЧНИТЕ ПУБЛИКАЦИИ СВЪРЗАНИ С ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

1. Vladislav Slavov, Tasho Tashev, “Closed-loop DMM Calibration”, Recent Advances in Systems, Communications and Computers - Selected Papers from the WSEAS Conference in Hanghou, China, April 6-8, 2008.

2. N. Gurov, V. Slavov, Virtual Approach to Laboratory Investigation of Thermocouples, Proceedings of Fourth International Bulgarian – Greece Conference ”Computer Science’ 2008”, September 18-19 2008, Kavala, Greece, pp. 314 – 319 , 2008.

3. Владислав Славов, Иван Коджабашев, Огнян Димитров, Гриша Петков, Драйвер за калибратор DATRON 4808, XVIII Национален научен симпозиум с международно участие “Метрология и метрологично осигуряване”, Септември 10-14, 2008, p. 355.

4. V. Slavov, Virtual automated system for AC voltage calibration of a DMM, Proceeding of the 7th International Conference on Challenges in Higher Education and Research in the 21st Century, June 2-5 , 2009, Sozopol, p.59-61.

5. Владислав Славов, Красимир Гълъбов, Пламен Цветков, Мобилно работно място за проверка и калибриране на средства за измерване, сп. Стандартизация, метрология, сертификация, Октомври 2010, брой 10, стр. 19.

6. Nikolay Gurov, Vladislav Slavov, Tasho Tashev, Virtual Capacitive Sensor System, Recent Researches in Instrumentation, Measuremen, Circuits and Systems, Proceedings of 10th WSEAS Internationa Conference on Instrumentation, Measurement, Circuits and Systems(IMACS’11), Venice, Italy, March 8-11, 2011, pp 42-46.

СПИСЪК С ИЗПОЛЗВАНИТЕ СЪКРАЩЕНИЯ

ANSI American National Standart Institute - американски национален институт по стандартизация

API Application Programming Interface - програмируем интерфейс DAQ Data Acquisition - събиране на данни DSP Digital Signal Processor - Цифров сигнален процесор Eol End of Line - Край на линия EOS End of String - Край на стринг GPIB General Purpose Interface Protocol - стандартизиран потокол за пренос на данни GUI Graphical User Interface - графичен потребителски интерфейс IP Internet Protocol - предназначението на протокола е да позволи адресация на

информацията, която се изпраща по мрежата. MTS многофункционален еталон за сравняване null Нулев индикатор PC Персонален компютър RH Относителна влажност SMTP Simple Mail Transfer Protocol - интернет стандарт за предаване на електронна поща чрез

Интернет TCP "Transmition Control Protocol - мрежов протокол за управление на обмена на

информация, един от основните, използвани от Интернет. teth Еталонна температура tvi Температура измерена с виртуален инструмент VISA Virtual Instrument Software Architecture - Софтуерна архитектура на виртуалните

инструменти WWW World Wide Web - система от взаимно свързани хипертекстови документи, достъпни

през компютърната мрежа Интернет. ВИ Виртуален инструмент

27

ДП РВД Държавно предприятие "Ръководство въздушно движение" е.д.н. Електродвижежещо напрежение ЕМИ Електромагнитни измервания МБМТ Международно бюро за мерки и теглилки НИ Нулев индикатор ОС Операционна система СИ Средство за измерване СпСИ Спомагателно средство за измерване т.е.д.н. Термоелектродвижещо напрежение ТОИЕ Техническо описание и инструкция за експлоатация ТСТ Термосъпротивителни термометри

VIRTUAL LABORATORY FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL QUANTITIES

The rapid development in technology and establish specific problems in the academic field and in particular in engineering disciplines creates a constant need to develop and enlarge the amount of lecture courses, which follows these changes and this is particularly true for engineering education field and experimental work. The main problem is to provide students with meaningful and relatively practical experience within an environment with limited resources.

One solution to these problems is the use of computer-based technology to link students with the physical world. This idea has been already embedded in many academic courses with an engineering focus to the use of computer-based tools and activities in the lecture and the laboratory practices. Moreover, sharing information and experience acquired great importance.

Technology education and computer studies can be divided into the following groups - computer based training, training using the computer, experimenting with using a computer. Access to these technologies is most often done remotely via the Internet or intranet. Another condition to be enforced is an analysis of the price. Buying a brand new facility, based on the latest technology is costly especially for educational institutions. An alternative is the approach which uses the "old" laboratory with proven systems, adapted and supplemented by a computer system for data collection and developed specific programs to serve specific experimental modules.

Virtual instruments that integrate virtual systems to measure various physical quantities are designed in this thesis. These virtual systems can be part of a virtual laboratory for measurements with general application (science, education, industry). The structures and characteristics of the virtual laboratory has applied the concept of virtual instruments in the construction of virtual measurement systems of various types of physical quantities and structural schemes are designed for the construction of these systems.

The thesis “Virtual laboratory for measurement of physical quantities” consists of 153 pages and 7 chapters.

The first chapter gives an overview and analysis of the development of virtual laboratory for measurement, a version of the summary structure is defined. At the end of a chapter the purpose and objectives of the dissertation are defined.

The second chapter defines criteria for selecting the software of the virtual laboratory, which is a key structural unit in each virtual laboratory. Reasoned choice of a graphical environment LabVIEW is made.

In chapter three is considered an automated system for checking and calibration of measuring devices is modeled and developed LabVIEW Plug & Play driver.

Methods and approaches related to calibration and verification of measuring equipment are discussed in chapter four.

The fifth chapter gives an overview of measurement transducers for temperature and removal methods, schemes and tools to measure them.

In the sixth chapter the hardware and software of the developed virtual measuring systems are described: verification of the digital voltmeter FLUKE 8842A, calibration of the digital multimeter

28

29

Keithley 2000 with calibrator DATRON 4808, study of the characteristics of thermo sensors for intelligent measurement of linear displacement with capacitive transducers.

In the seventh chapter are presented and analyzed results of the experiments with the developed virtual measuring systems for verification of the digital voltmeter FLUKE 8842A, to calibrate the digital multimeter Keithley 2000 with calibrator DATRON 4808, to study the characteristics of thermo sensors for intelligent measuring linear displacement of capacitive transducers.

Scientific and practical contributions of the achieved results are pointed as follows: 1. Summarized structure of a virtual laboratory for measurement of physical quantities is synthesized,

based on a theoretical knowledge and developed real solutions. The structure presents а general model, which contains the core modules (structural units) specific to each virtual laboratory and shows the interaction between them.

2. Criteria for selection of software for creating virtual instruments are summarized. The choice of a particular software to develop a virtual laboratory for measurement of physical quantities is justified.

3. A scheme of an automated calibration system with the use of virtual technologies is synthesized. The physical realization of the scheme is examined and recommendations for the optimal implementation of the processes of calibration and verification are proposed, both in terms of software and in terms of interface.

4. A summary algorithm for reading the measurement data is synthesized, applied in two different virtual automated verification and calibration of digital measuring devices - one attached in calibration laboratories, and the other in the educational process.

5. A virtual system for testing the characteristics of thermocouples attached to the laboratory classes for measuring non-electrical quantities is developed.

6. An algorithm to develop a virtual system for measuring linear displacement is synthesized. The work performed is a prerequisite for future research and implementations.