• Постановка задачи

Необходимо продемонстрировать студентам, обучающимся по направлению «Приборостроение» возможные структурные решения при построении измерительных каналов и систем и выработать у обучающихся навыки конфигурирования аппаратных создания программных частей ИИС.

• Описание решения

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

- изучение метрологических характеристик измерительных модулей NI;

- изучение рекомендованных схем включения;

- создание измерительного канала;

- реализация функций обратного преобразования в среде графического программирования LabVIEW;

- генерация сигналов с заданными характеристиками;

- построение ИИС для проведения измерительного эксперимента в соответствии с заданием.

Настоящее посвящено анализу возможностей применения аппаратных и программных средств фирмы National Instruments для обучения студентов направления «Приборостроение».

Определенную сложность представляет то, что желательно иметь объект исследования с возможностями задания параметров, приводящих к изменению характеризующих его физических величин в широком диапазоне. Поскольку для полного решения данной задачи нужен небольшой технологический процесс, приходится имитировать объект исследования с помощью модулей аналогового и дискретного вывода, а также функциональных генераторов.

Применение измерительно-вычислительных систем, построенных с использованием прецизионных аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, позволяет формировать значения напряжения с точностью, достаточной для исследования аналоговых СИ, однако, это лишь значения напряжения, а не значения физической величины. Задача состоит в том, чтобы объединить имеющиеся компоненты лабораторных установок (объекты исследования и первичные измерительные преобразователи) с новыми аппаратными средствами.

Рис. 1 Структура измерительного канала

В процессе обучения необходимо показать возможности ИИС для улучшения метрологических характеристик ИК. Важной характеристикой ИК является межповерочный интервал, для увеличения которого создаются средства автокалибровки.

Рис. 2 Структура измерительной системы с автокалибровкой

Ресурсы любого многофункционального устройства NI достаточны для организации измерительного канала температуры с коррекцией систематических погрешностей (АЦП и линии дискретного вывода). Наиболее просто организовать исследование метрологических характеристик измерительного канала, работающего с резистивным датчиком по четырехпроводной схеме включения, имитируя изменение температуры с помощью магазина сопротивлений [1,2].

Рис. 3. Схема ИК температуры с коррекцией систематических погрешностей.

Здесь ИТ - источник стабильного тока, Тр - терморезистор, Rh и Rk -калибровочные резисторы, К1, К2, КЗ - электронные ключи, ИУ - инструментальный усилитель, ДШ - дешифратор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ДВ -порт дискретного вывода.

За счет неидеальностей источника стабильного тока и инструментального усилителя (ИУ) в измерительном канале возникают аддитивная и мультипликативная погрешности. Для их коррекции применяются два прецизионных резистора, значения которых выбираются на краях диапазона изменения сопротивления терморезистора. С помощью линий дискретного вывода можно осуществлять управление ключами, которые коммутируют на вход ИУ потенциальные выводы терморезистора и образцовых сопротивлений.

В процессе выполнения лабораторной работы обучающийся должен создать виртуальный инструмент для снятия характеристики преобразования измерительного канала без коррекции, рассчитать аддитивную и мультипликативную погрешности, реализовать виртуальный инструмент с коррекцией погрешностей.

Возможно также провести исследование влияния сопротивления соединительных проводов на результат измерения температуры при двухпроводной и четырехпроводной схемах включения терморезистора, а также дрейфа отдельных компонент аналогового тракта.

Другой важный раздел практикума - генерирование сигналов с заданными характеристиками:

• s(t) - стационарный случайный процесс;

• а + b(t) + ε(t) - детерминированный полезный сигнал со случайной составляющей;

• а × sin(ωt) - гармонический сигнал;

• а × sin(ωt) + ε(t) - гармонический сигнал со случайной составляющей;

• Σ(а_i × sin(ω_i(t+(φ_i)) - сложный сигнал;

В данном случае предложена аддитивная модель сигналов, возможна и мультипликативная модель [5,6].

Рис. 4. Структурная схема лабораторной работы для формирования и исследования сигналов.

Некоторую сложность представляет ограниченное быстродействие ЦАП и для исключения влияния дискретного характера генерируемых сигналов работу виртуальных инструментов, управляющих ЦАП и АЦП необходимо синхронизировать.

Наличие в составе модулей DAQ 6251 двух таймеров-счетчиков дает возможность построения частотомеров и периодомеров и исследования их метрологических характеристик.

• Используемое оборудование и ПО

Для выполнения данных работ необходимы первичные измерительные преобразователи и их симуляторы, в частности, резистивный датчик и магазин сопротивлений, термопара и прецизионный источник ЭДС, измерительные трансформаторы тока, тензодатчики, источники постоянного напряжения и тока, генераторы сигналов синусоидального напряжения и специальной формы NI_PXI_5401, многофункциональные устройства ввода вывода Nl_6251, NI6009USB, мультиметр NI_PXI_4072.

Программное обеспечение - Nl LabVIEW 8.5, Nl Fgen Soft Front Panel, Nl Scope Soft Front Panel [3,4].

• Внедрение и развитие решения

Описанные решения применяются на кафедре Информационно-измерительных систем и технологий Санкт-Петербургского электротехнического университета. Развитие лабораторного практикума предполагается в рамках подготовки практико-ориентированных магистров по специализации «Информационно-измерительные системы». Основная направленность -разработка измерительных систем для проведения научных исследований, мониторинга состояний технологических процессов, применение аппаратных и программных средств National Instruments.

Список литературы

1. B.C. Путников Интегральная электроника в измерительных устройствах. Ленинград.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.

2. У. Томпкинс, Дж. Уэбстер Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM-PC. Москва.: Мир, 1992. 592 с.

3. Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. LabVIEW для всех Москва.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544с.:ил.

4. Построение измерительных каналов с применением среды графического программирования LabVIEW: Методические указания к лабораторным работам / Сост.: В. В. Алексеев, Е. Г. Гридина, Б. Г. Комаров, П. Г. Королев, М. Ю. Обоишев, Н. И. Куракина. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. 32 с.

5. A.M. Прохоренков, Н.М. Качала Использование методов нечеткой логики для определения классификационных характеристик случайных процессов Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. 2006 Том 9 Выпуск 3

6. Дж. Бендат, А. Пирсол Прикладной анализ случайных данных. Москва., Мир, 1989,540с.