Цель: Разработка комплекса виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация, сертификация»

Актуальность проекта заключается в применении новейших информационных технологий (современной компьютерной техники) в различных видах учебных занятий, поскольку виртуальные лабораторные работы, разработка которых возможна на базе предложенных программ, позволяют сменить проведение лабораторных занятий на физических лабораторных стендах их проведением в компьютерных классах. Что особо актуально в системе дистанционного обучения, а также в системе бакалавриата, в которой значительно увеличены часы самостоятельной работы студента, что позволит значительно снизить стоимость лабораторий из-за использования виртуальных приборов.

Для создания прикладного программного обеспечения компьютерных систем сбора и обработки измерительной информации сегодня применяются специализированные средства, использующие принцип объектно-ориентированного программирования. Среди таких средств наиболее развитой и универсальной является среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments, предназначенная для создания прикладного программного обеспечения информационно-измерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки экспериментальных данных.

Новейшие информационные технологии позволяют использовать современную компьютерную технику в различных видах учебных занятий. Виртуальные лабораторные работы позволяют сменить проведение лабораторных занятий на физических лабораторных стендах их проведением в компьютерных классах. Применение других объектно-ориентированных языков программирования с этой целью, таких как, например, Delphi, возможно. Однако, программы, созданные на этих языках, более громоздки, поскольку Lab VIEW предназначено именно для создания виртуальных приборов (ВП) и имеет готовые ВП и возможности для создания новых.

Данная работа является примером разработки виртуальных лабораторных работ по дисциплинам «Метрология, стандартизация и сертификация», «Технические средства измерений», «Технологические измерения и приборы» и других, где необходимо применение виртуальных приборов.

Основные результаты заключаются в использовании при разработке виртуальных приборов метода имитационного моделирования на ЭВМ. Поскольку под имитационным моделированием понимают машинное моделирование на ЭВМ, воссоздающее режим функционирования исследуемой системы с использованием математической модели объекта исследования и модели случайных воздействий.

Практическим результатом работы являются разработанные в среде графического программирования Lab VIEW модели реальных технических средств измерений и создание на их базе трех виртуальных лабораторных работ по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»:

1. Имитационное моделирование погрешностей канала измерения температуры.

2. Исследование способов уменьшения погрешностей канала измерения температуры,

3. Изучение основных и дополнительных погрешностей средств измерений.

Создание виртуальной лабораторной работы

По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» согласно рабочей программе студент 2 курса должен выполнить 3 лабораторные работы Ранее на кафедре «Инженерная кибернетика» АИЭС были созданы лабораторные работы для данной дисциплины в среде Delphi.

Рисунок 1

На рисунке 1 изображена рабочая панель одной из виртуальных работ «Исследование погрешностей канала измерения температуры» в среде Delphi.

Рассматривая эти работы как альтернативу виртуальным работам в среде LabVIEW, мы пришли к следующему выводу:

1. Лабораторные работы в среде Delphi менее наглядны, программа на языке Delphi более громоздка, трудоемка, требуется больше времени на ее разработку.

2. Лабораторная работа в среде LabVIEW представляет собой виртуальный лабораторный стенд с виртуальными приборами, изображающими реальные средства измерения.

Разработанные три виртуальные лабораторные работы по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» внедрены в учебный процесс кафедры «Инженерная кибернетика» Алматинского Института Энергетики и Связи и предназначены для выполнения студентами-бакалаврами 2 курса специальности «Автоматизация и управление».

В качестве примера представлена одна лабораторная работа «Имитационное моделирование суммарной погрешности измерительных каналов».

Методика выполнения лабораторной работы «Имитационное моделирование суммарной погрешности измерительных каналов» в среде Lab VIEW заключается в следующем.

Этап 1. Выбор структуры измерительного канала.

Выбрав в правой части пользовательского интерфейса в закладке «Выбор средств измерения» закладку «Первичный преобразователь», нужно выбрать необходимый первичный преобразователь из списка приборов. В зависимости от заданной температуры студент выбирает термопару или термосопротивление. В данном случае выбран первичный преобразователь термопара ТХК-0279. На рисунке 2 представлено окно фронт - панели виртуальной лабораторной работы по выбору первичного преобразователя.

Рисунок 2

После чего следует перейти на закладку «Вторичный прибор», где необходимо осуществить выбор вторичного прибора. На рисунке 3 представлено окно фронт -панели виртуальной лабораторной работы для выбора вторичного прибора. В качестве вторичного прибора был выбран КСП1-05

Затем прибор появится в левой части экрана. При неправильном выборе загорается красная лампочка «Схема собрана неправильно». При правильном выборе схемы измерительного канала загорается зеленая лампочка «Схема собрана, верно».

Рисунок 3

После сборки схемы переходим к этапу 2. Этап 2. Имитационное моделирование.

Следующая закладка «Имитационный эксперимент» представляет в левом столбце 50 значении измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного значения измеряемой величины

Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого канала измерения температуры, как суммарные, систематическую и случайные погрешности измерительного канала.

Сверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером

Посмотреть гистограмму распределения измеряемой величины, полученную на экране.

Лабораторная работа «Имитационное моделирование суммарной погрешности

После этого студент приступает к выполнению этапа 2

На рисунке 4 представлено окно фронт - панели виртуальной лабораторной работы по проведению имитационного эксперимента.

Рисунок 4

В результате эксперимента получаем следующие данные:

- выборка 50 значений измеренной температуры 400 °С;

- значения математического ожидания, дисперсии, среднеквадратичного отклонения наблюдений и среднеквадратичного отклонения результата измерений;

- гистограмму распределения результатов наблюдений (случайная величина).

Полученные фронт - панели являются результатом программирования в среде LabVIEW, т.е. результатом разработанных блок - диаграмм, одна из которых представлена на рисунке 5.

Рисунок 5

На блок-диаграмме были использованы блоки:

Сборка измерительного канала, проведение имитационного эксперимента, выбор условия задания.

ПО окончании работы с виртуальным стендом студент должен произвести теоретический расчет суммарной погрешности данного измерительного канала. И сравнить их с результатами имитационного эксперимента.

Теоретический расчет выполняется по следующим формулам:

Исходными данными для расчетов являются погрешности первичного преобразователя и класс точности вторичного прибора.

Сумма среднеквадратичного отклонения результата измерений:

Сумма среднеквадратичного отклонения наблюдений:

Сравнительные результаты для данной работы представлены на рисунке 6.

Рисунок 6

Заключение

Таким образом, подводя итоги, хотелось бы подчеркнуть следующее: работа является основой для разработки виртуальных лабораторных работ и стендов по различным дисциплинам. Виртуальный прибор снабжен программой формирования случайной погрешности, что гарантирует реальную картину процедуры измерения. С помощью нашей программы можно также производить статистическую обработку результатов экспериментов: автоматически просчитать математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение, дисперсию, установить закон распределения, построить гистограмму для данного закона.

Созданные виртуальные приборы позволяют сэкономить время на проведении измерений и материальные средства на физические приборы в условиях обучения или тренажера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Батоврин В.К. Lab \Ле\л/:практикум по основам измерительных технологий. - ДМК пресс М. 2005г.

2. National Instruments. Учебный курс Lab View основы 1.- Май 2003г.

3. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978.

4. Хан С.Г. Метрология и измерения. Выбор структуры и расчет метрологических характеристик канала измерения температуры. Методические указания к курсовой работе. - Алматы: АИЭС, 1999.-25 с.

5.Иванова В.М. Случайные числа и их применение. - М.: Финансы и статистика, 1984г.-111с.

6. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ Т.П. - М.: Мир, 1977г.-724с.

7. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука.- М.: Мир, 1978г.-418с.