Компьютерная измерительная система с датчиками
Компьютерная измерительная система с датчиками
предназначена для сбора и отображения информации, получаемой
с помощью датчиков о том иди ином физическом процессе, а также
для осуществления элементов управления экспериментальной установкой. Она включает в себя измерительный блок, набор датчиков
для измерения физических величин и программное обеспечение.
1) Компьютерный измерительный блок преобразует сигнал, поступающий от датчиков. в цифровой код, который
далее обрабатывается в компьютере. Измерительный блок имеет два
независимых канала регистрации
данных и один канал управления
внешним устройством (например,
электромагнитом).
Технические характеристики измерительного блока
1) Диапазон измеряемых напряжений: от –10 В до 10 В с точностью 5мВ (измерение сигналов, выходящих за указанные рамки или требующих больших чувствительностей, осуществляется с помощью делителей напряжения и усилителей).
2) Диапазон частот регистрируемых сигналов: от 0 (постоянное напряжение) до 2 кГц.
3) Измерение интервалов времени с точностью до 0.0002 с (2·10-4 с).
4) Измерение частоты следования импульсов в диапазоне 5 Гц—5 кГц.
Описание режимов регистрации данных и представления результатов компьютерной измерительной системы дается при рассмотрении демонстрационных экспериментов.
2) Датчики для измерения физических величин. Применение компьютерной измерительной системы при проведении демонстрационных экспериментов потребовало разработки комплекта датчиков физических величин, краткое описание которых представлено ниже.
Датчик момента времени предназначен для регистрации параметров движения различных объектов. Датчик использует оптоэлектрически И принцип, т. е. состояние датчика (амплитуда выходного сигнала) меняется при перекрытии его оптической оси непрозрачным телом. Светодиод и фотодиод, составляющие основу датчика, устанавливаются в П-образном корпусном элементе с магнитами, что позволяет легко закреплять датчик как на горизонтальной, гак и на вертикальной металлических поверхностях, например на классной доске.
Датчик угловой скорости предназначен для измерения частоты вращения в диапазоне 20 — 1000 об/мин (0,05 - 2,5 с-1) с погрешностью. не превышающей 5%. Датчик имеет ось со шкивом, укрепленную на подшипниках в металлическом корпусе. В большинстве экспериментов эта ось является осью вращения установки. Принцип действия датчика угловой скорости такой же. как и у датчика момента времени: в зазоре оптопары (оптические ворота) вращается диск, разбитый на прозрачные и непрозрачные сектора. Корпус датчика имеет отверстия для установки его на штативе как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Датчик угла поворота служит для измерения углов в диапазоне от 0 до 2900° (8 полных оборотов) с погрешностью 1°. Датчик выполнен на базе многооборотною резистивного преобразователя (потенциометра). установленного в металлическом корпусе. На валу резистивною преобразователя закреплена втулка для соединения датчика с элементом установки, совершающим вращательное или колебательное движение. Корпус датчика имеет отверстия для установки его на штативе как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Датчик температуры 0—100 °С представляет собой тонкую трубку из нержавеющей стали (шуп) с чувствительным элементом (терморезистором) на конце. Измерения проводятся в диапазоне от 0 до 100 °С. Погрешность составляет не более 1%. Особенностью датчика является его малая инерционность (время отклика не более 0,1 с), что позволяет pei ми грировать быстрые процессы, например пульсации температуры при перемешивании жидкости.
Датчик температуры 0—1000 °С предназначен для измерения температуры расплавов и пламени. Он состоит из отрезка термопарной проволоки с увствительным спаем. В качестве материалов для термопары используются хромель и копель. Диапазон измерений от 0 до 1000 °С. погрешность — не более 1%, время отклика — не более 0.1 с.
Датчик давления используется для измерения давления неагрессивных газообразных сред. Датчик выполнен на основе тензометрического чувствительного элемента. Рабочий диапазон О— 200 кПа (абсолютное давление). Погрешность измерений составляет 1 % при температуре от -40 до 85 °С. Постоянная времени датчика — не более 0,1 с. что позволяет регистрировать давление в переходных процессах, например в случае адиабатного расширения газа. Конструктивно датчик представляет собой отдельный блок, подключаемый к измерительному блоку с помощью кабеля.
Датчик влажности воздуха рассчитан на измерение относительной влажности в пределах от 10 до 98% с погрешностью, не превышающей 5%. Датчик имеет чувствительный элемент, представляющий собой плоский конденсатор, у которого в качестве диэлектрика используется тонкий слой полимера. Изменение относительной влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости полимера и, как следствие, к изменению емкости конденсатора. Датчик работает в диапазоне температур от -10 °С до 60 °С и имеет время отклика 10 с.
Датчик проводимости предназначен для измерения удельной электрической проводимости различных водных растворов. Датчик проводимости (кондуктометр) состоит из измерительного щупа, погружаемого в анализируемый раствор, и согласующего устройства, выполненного в виде малогабаритного выносного блока. Действие датчика основано на измерении сопротивления среды между электродами при пропускании переменного тока частотой 1 кГц. Диапазон измерений от 5 мкСим/см до 10 мСим/см, погрешность — 5%. Допустимая температура исследуемого раствора 10—50 °С.
Датчик индукции постоянною магнитного поля предназначен для измерения индукции магнитного поля в диапазоне от -200 мТл до 200 мТл с погрешностью, не превышающей 2%. Действие датчика основано на эффекте Холла. Датчик работает при температуре от 10 °С до 40 “С.
Датчик освещенности предназначен для измерения освещенности. Он выполнен на основе полупроводникового фотоэлемента. ЭДС которого зависит от величины падающего на него светового потока. Датчик работает в диапазоне температур от -10°С до 60 °С.
3) Приставка-осциллограф к
компьютерному измерительному
блоку предназначена для обеспечения одновременной регистрации двух сигналов-напряжений на произвольных элементах
электрической цепи с помощью
компьютерного измерительного
блока. Работа присгавки-осииллографа поддерживается специальным программным блоком,
превращающим экран компьютера в экран двухканального
цифрового запоминающего осциллографа. Приставка-осциллограф имеет два входных кабеля и два переключателя коэффициента деления «1:1» / «1:10» (по одному
на каждый канал).
Персональный компьютер, работающий на базе прнставки-осциллографа и соответствующего программного обеспечения, становится компьютерным осциллографом и позволяет одновременно представлять на экране два электрических сигнала. Это дает возможность показать не только опыты, относящиеся к переменному току и другим периодическим процессам неограниченной продолжительности, но и продемонстрировать однократные и импульсные процессы (зарядка конденсатора, возникновение ЭДС индукции и самоиндукции), осциллографическое наблюдение которых на уроке ранее было невозможно. На рисунке представлены приставка-осциллограф и осциллограмма. полученная при демонстрации с комплектом «Электричество-3».
1) Компьютерный измерительный блок преобразует сигнал, поступающий от датчиков. в цифровой код, который
далее обрабатывается в компьютере. Измерительный блок имеет два
независимых канала регистрации
данных и один канал управления
внешним устройством (например,
электромагнитом).Технические характеристики измерительного блока
1) Диапазон измеряемых напряжений: от –10 В до 10 В с точностью 5мВ (измерение сигналов, выходящих за указанные рамки или требующих больших чувствительностей, осуществляется с помощью делителей напряжения и усилителей).
2) Диапазон частот регистрируемых сигналов: от 0 (постоянное напряжение) до 2 кГц.
3) Измерение интервалов времени с точностью до 0.0002 с (2·10-4 с).
4) Измерение частоты следования импульсов в диапазоне 5 Гц—5 кГц.
Описание режимов регистрации данных и представления результатов компьютерной измерительной системы дается при рассмотрении демонстрационных экспериментов.
2) Датчики для измерения физических величин. Применение компьютерной измерительной системы при проведении демонстрационных экспериментов потребовало разработки комплекта датчиков физических величин, краткое описание которых представлено ниже.
Датчик момента времени предназначен для регистрации параметров движения различных объектов. Датчик использует оптоэлектрически И принцип, т. е. состояние датчика (амплитуда выходного сигнала) меняется при перекрытии его оптической оси непрозрачным телом. Светодиод и фотодиод, составляющие основу датчика, устанавливаются в П-образном корпусном элементе с магнитами, что позволяет легко закреплять датчик как на горизонтальной, гак и на вертикальной металлических поверхностях, например на классной доске.
Датчик угловой скорости предназначен для измерения частоты вращения в диапазоне 20 — 1000 об/мин (0,05 - 2,5 с-1) с погрешностью. не превышающей 5%. Датчик имеет ось со шкивом, укрепленную на подшипниках в металлическом корпусе. В большинстве экспериментов эта ось является осью вращения установки. Принцип действия датчика угловой скорости такой же. как и у датчика момента времени: в зазоре оптопары (оптические ворота) вращается диск, разбитый на прозрачные и непрозрачные сектора. Корпус датчика имеет отверстия для установки его на штативе как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Датчик угла поворота служит для измерения углов в диапазоне от 0 до 2900° (8 полных оборотов) с погрешностью 1°. Датчик выполнен на базе многооборотною резистивного преобразователя (потенциометра). установленного в металлическом корпусе. На валу резистивною преобразователя закреплена втулка для соединения датчика с элементом установки, совершающим вращательное или колебательное движение. Корпус датчика имеет отверстия для установки его на штативе как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Датчик температуры 0—100 °С представляет собой тонкую трубку из нержавеющей стали (шуп) с чувствительным элементом (терморезистором) на конце. Измерения проводятся в диапазоне от 0 до 100 °С. Погрешность составляет не более 1%. Особенностью датчика является его малая инерционность (время отклика не более 0,1 с), что позволяет pei ми грировать быстрые процессы, например пульсации температуры при перемешивании жидкости.
Датчик температуры 0—1000 °С предназначен для измерения температуры расплавов и пламени. Он состоит из отрезка термопарной проволоки с увствительным спаем. В качестве материалов для термопары используются хромель и копель. Диапазон измерений от 0 до 1000 °С. погрешность — не более 1%, время отклика — не более 0.1 с.
Датчик давления используется для измерения давления неагрессивных газообразных сред. Датчик выполнен на основе тензометрического чувствительного элемента. Рабочий диапазон О— 200 кПа (абсолютное давление). Погрешность измерений составляет 1 % при температуре от -40 до 85 °С. Постоянная времени датчика — не более 0,1 с. что позволяет регистрировать давление в переходных процессах, например в случае адиабатного расширения газа. Конструктивно датчик представляет собой отдельный блок, подключаемый к измерительному блоку с помощью кабеля.
Датчик влажности воздуха рассчитан на измерение относительной влажности в пределах от 10 до 98% с погрешностью, не превышающей 5%. Датчик имеет чувствительный элемент, представляющий собой плоский конденсатор, у которого в качестве диэлектрика используется тонкий слой полимера. Изменение относительной влажности воздуха приводит к изменению диэлектрической проницаемости полимера и, как следствие, к изменению емкости конденсатора. Датчик работает в диапазоне температур от -10 °С до 60 °С и имеет время отклика 10 с.
Датчик проводимости предназначен для измерения удельной электрической проводимости различных водных растворов. Датчик проводимости (кондуктометр) состоит из измерительного щупа, погружаемого в анализируемый раствор, и согласующего устройства, выполненного в виде малогабаритного выносного блока. Действие датчика основано на измерении сопротивления среды между электродами при пропускании переменного тока частотой 1 кГц. Диапазон измерений от 5 мкСим/см до 10 мСим/см, погрешность — 5%. Допустимая температура исследуемого раствора 10—50 °С.
Датчик индукции постоянною магнитного поля предназначен для измерения индукции магнитного поля в диапазоне от -200 мТл до 200 мТл с погрешностью, не превышающей 2%. Действие датчика основано на эффекте Холла. Датчик работает при температуре от 10 °С до 40 “С.
Датчик освещенности предназначен для измерения освещенности. Он выполнен на основе полупроводникового фотоэлемента. ЭДС которого зависит от величины падающего на него светового потока. Датчик работает в диапазоне температур от -10°С до 60 °С.
3) Приставка-осциллограф к
компьютерному измерительному
блоку предназначена для обеспечения одновременной регистрации двух сигналов-напряжений на произвольных элементах
электрической цепи с помощью
компьютерного измерительного
блока. Работа присгавки-осииллографа поддерживается специальным программным блоком,
превращающим экран компьютера в экран двухканального
цифрового запоминающего осциллографа. Приставка-осциллограф имеет два входных кабеля и два переключателя коэффициента деления «1:1» / «1:10» (по одному
на каждый канал).Персональный компьютер, работающий на базе прнставки-осциллографа и соответствующего программного обеспечения, становится компьютерным осциллографом и позволяет одновременно представлять на экране два электрических сигнала. Это дает возможность показать не только опыты, относящиеся к переменному току и другим периодическим процессам неограниченной продолжительности, но и продемонстрировать однократные и импульсные процессы (зарядка конденсатора, возникновение ЭДС индукции и самоиндукции), осциллографическое наблюдение которых на уроке ранее было невозможно. На рисунке представлены приставка-осциллограф и осциллограмма. полученная при демонстрации с комплектом «Электричество-3».
|
|
|