ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН»

Неретин Евгений Сергеевич, Чубаров Олег Юрьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УЧЕБНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН»

Неретин Евгений Сергеевич, Чубаров Олег Юрьевич

студенты Московского Авиационного Института (государственного
технического университета) «МАИ», e-mail: aviatex@mai.ru

Работа посвящена разработке и подготовке к производству типового комплекта оборудования учебной лаборатории для высшего профессионального образования. Создаваемая лаборатория представляет собой универсальный открытый комплекс модульных средств для проведения лабораторных работ в рамках проекта «Электрические измерения неэлектрических величин». Комплекс включает в себя: лабораторные установки для натурных экспериментов с физическими объектами - температура, давление, ускорение, вибрации; методическое, аппаратное и программное обеспечение (среды) для проведения лабораторных работ широкого профиля в области измерений, контроля и управления.

К настоящему времени разработано 4 лабораторные установки:

●  «Методы и технические средства изучения вибрации»;

●  «Методы и технические средства изучения давления»;

●  «Методы и технические средства изучения температуры»;

●  «Методы и технические средства изучения ускорения».

Для сопряжения лабораторных установок с персональным компьютером разработан универсальный микропроцессорный измерительно-управляющий блок
(МИУБ), предназначенный для измерения аналоговых сигналов датчиков всех установок, первичной обработки результатов измерений, а также для управления лабораторными установками в процессе проведения экспериментов. Структурная схема МИУБ представлена на рис. 1 [1].

Рис. 1. Структурная схема МИУБ

Для обучения студентов методам и средствам измерения вибраций предлагается использовать лабораторную установку типа «Электродинамический вибростенд». Существенной особенностью этой установки является то, что в ней измеряется и регистрируется в достаточно большом диапазоне частот колебаний выходной сигнал акселерометра  и его линейные перемещения. Это позволяет при условии гармонического характера колебаний косвенным методом легко оценивать амплитуду действующих на акселерометр ускорений и таким образом определять его амплитудно-частотную характеристику [2].

Для обучения студентов методам и средствам измерения давления предлагается использовать лабораторную установку «Методы и технические средства измерения давления», предназначенную для определения (поверки, калибровки) статических характеристик датчиков давления. Причём один из датчиков принимается за рабочий эталон, его характеристики используются при организации управления давлением внутри рабочей камеры установки.

Установка предназначена для экспериментального определения характеристик датчиков давления. В состав установки входят: компрессор, резервуар, трубопроводы, электропневмоклапаны, датчики давления и др. В качестве рабочего тела используется воздух. Требуемое давление внутри установки достигается путём соответствующего управления компрессором и двумя электроклапанами. Проходное сечение стравливающего первого клапана много больше второго. Это позволяет получать разные скорости стравливания давления и достигать требуемого качества его регулирования.

Из всех физических величин наиболее часто измеряемой величиной является температура. Для обучения студентов методам и средствам измерения температуры предлагается использовать лабораторную установку «Методы и технические средства измерения температуры», предназначенную для определения (поверки, калибровки) статических характеристик термодатчиков. Причём один из датчиков принимается за рабочий эталон, его характеристики используются при организации управления температурой внутри камеры.

Температура в лабораторной установке изменяется с помощью термоэлектрических модулей на эффекте Пельтье. Внутренние поверхности термоэлементов имеют хороший тепловой контакт с П-образным телом из меди, температура которого измеряется, а внешние – с радиаторами, охлаждаемыми вентиляторами для лучшего теплоотвода. Замер температуры производится с помощью установленных на поверхности тела датчиков температуры. Один из датчиков используется в качестве рабочего эталона.

Рабочая камера установки защищена слоем теплоизоляции, изготовленной из пенопласта. Величина максимального перепада температур, обеспечиваемого термоэлектрическим прибором, зависит от тепловой нагрузки на термоэлемент. В данной камере может быть установлена температура, лежащая в диапазоне
–5…+60 °C. Изменение температуры внутри термокамеры происходит путем пропускания электрического тока нужной направленности и величины через термоэлектрические модули, при этом происходит охлаждение или нагрев твердого тела. Нижний предел в основном определяется мощностью использованных термоэлектрических модулей и температурой окружающей среды, а верхний – ограничен предельно допустимой температурой для выбранной термоизоляции.

Для обучения студентов методам и средствам измерения ускорения предлагается использовать лабораторную установку «Методы и технические средства измерения ускорения», обеспечивающую возможность измерения величины задаваемого ускорения образцовым датчиком. Задатчиком ускорения является математический маятник.

            Лабораторная установка позволяет проводить:

●градуировку преобразователя (акселерометра) экспериментальным
методом;

●получение экспериментальных статистических характеристик преобразователей (акселерометров);

●определение величины нелинейности статической характеристики преобразователя (акселерометра);

●определение метрологических характеристик акселерометров при многократных измерениях;

●экспериментальное определение динамических характеристик акселерометров.

Для работы с лабораторными установками и организации пользовательского интерфейса разработано программное обеспечение Laboratory Analyser, обеспечивающее задание конфигурации каналов ввода-вывода и параметров работы МИУБ, отображение графиков измеряемых сигналов в режимах осциллографа и самописца, формирование циклограмм управления состоянием выходных каналов, ручное управление состоянием выходных каналов, отображение состояния входных каналов, экспорт результатов измерений в программу Microsoft Excel [3].

Созданная лаборатория позволяет:

– выполнять лабораторные работы различного уровня сложности (на втором – пятом курсах технических университетов) и дипломные проекты по ряду учебных дисциплин;

– изучать новейшие методы измерения, контроля и управления в промышленности с использованием открытых компьютерных технологий, международных стандартов, микропроцессорной техники;

– развивать у студентов навыки, необходимые для проведения научно-исследовательских разработок в различных областях науки и техники.

Созданные макеты лабораторных установок и соответствующего программно-методического обеспечения позволяют проводить натурные эксперименты с наборами наиболее часто используемых в технике датчиков, а также моделировать довольно сложные системы информации или управления, применяя новейшие технологии моделирования. Использованные в лаборатории принципы позволяют применять методы фронтального и дистанционного обучения.

Список литературы

1. Отчёт о научно-исследовательской работе «Типовой комплект оборудования для лаборатории  «Электрические измерения неэлектрических величин». – М.: МАИ, 2001.

2. Князева В.В., Неретин Е.С. Микропроцессорный измерительно-управляющий блок “МИУБ” // Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов / Под ред. проф. Ю.Ю. Комарова. – М.: Изд-во МАИ, 2006 – с. 144-149.

3. Князева В.В., Чубаров О.Ю. Разработка сетевого многофункционального контроллера для комплексной модернизации экспериментальной учебной лаборатории «Электрические измерения неэлектрических величин» // Сборник трудов НИРС. – М.: Изд-во МАИ, 2007.