//Электрика. – 2008. – № 10.–
С. 40–42.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
ПРИ ОБУЧЕНИИ ИНЖЕНЕРОВ-ЭНЕРГЕТИКОВ
Д. И. Зализный, О. Г. Широков
Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого
Задача измерений электрических и неэлектрических величин в энергетике является одной из важнейших. Исторически было разработано множество различных электрических измерительных приборов. С течением времени они совершенствовались, становясь всё более точными и многофункциональными. Классифицируют их по различным признакам, в частности, по элементной базе структурной схемы прибора можно выделить три основных класса: электромеханические; электронные немикропроцессорные; электронные микропроцессорные измерительные приборы.
Каждый из этих классов обладает определёнными достоинствами и недостатками, но совершенно очевиден факт их постепенного совершенствования.
В последнее десятилетие в энергетике всё большее распространение получают микропроцессорные измерительные приборы, основным преимуществом которых является многофункциональность. Простейший вариант таких приборов – мультиметры, оснащённые удобными дисплеями и меню пользователя. Более сложные измерительные приборы используют в своём составе персональный компьютер (ПК).
ПК как универсальное устройство способен выполнять функции измерительного прибора, при этом непосредственно им не является. Работа реальных измерительных приборов имитируется в ПК с помощью программного обеспечения, т. е. проходит в виртуальном режиме; такие приборы можно называть виртуальными [1]. Их характеризует определённое однообразие в аппаратной части. Обобщённая структурная схема виртуального измерительного прибора приведена на рис. 1.
Рис. 1.Структурная схема виртуального измерительного прибора
Измеряемые величины 
через первичные измерительные
преобразователи (ПИП) поступают на вторичные измерительные преобразователи
(ВИП), где нормализуются до необходимых значений и далее подаются на многоканальный
цифровой регистратор (МЦР), который, в свою очередь, посредством интерфейса
связи осуществляет передачу оцифрованных значений в ПК. Такая структура весьма
условна и зависит от конкретной области применения в энергетике. Например, ВИП
могут входить в состав МЦР, или же МЦР может являться частью ПК. Однако вне
зависимости от конфигурации системы функциональное назначение элементов
остаётся прежним.
В случае измерения электрических величин в качестве первичных измерительных преобразователей используют, как правило, понижающие измерительные трансформаторы тока и напряжения. В случае измерения неэлектрических величин (температуры, давления и др.) используют соответствующие измерительные преобразователи "физическая величина – электрический сигнал".
Вторичные измерительные преобразователи представляют собой дополнительные понижающие трансформаторы тока и напряжения в случае измерения электрических величин и электронные линейные усилители напряжения – в случае измерения неэлектрических величин.
На выходах вторичных
измерительных преобразователей формируются напряжения одного диапазона,
необходимые для работы многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП),
входящего в состав цифрового регистратора. В процессе квантования и
дискретизации значений аналоговых величин на каждом 
-м интервале времени АЦП формирует их
отсчёты 
, которые либо передаются цифровым
регистратором в ПК в реальном времени, либо сохраняются в собственной памяти
регистратора и затем передаются в ПК. Далее программное обеспечение ПК
выполняет нормализацию каждого отсчёта по формуле:
,
где 
и 
– нормирующие коэффициенты,
учитывающие действительные функции преобразования измерительных
преобразователей. В случае необходимости линеаризации этих функций, значения и могут быть заменены
соответствующими дискретными функциями 
и 
.
Таким образом, вначале
исходная информация о значениях измеряемых величин представлена в ПК в виде
матрицы 
. Далее осуществляется
непосредственная реализация функций виртуального измерительного прибора. При
достаточно высокой частоте дискретизации 
потенциально возможна
реализация любого измерительного прибора. Например, если имеется массив
отсчётов напряжения 
, то можно рассчитать среднее значение напряжения за
промежуток времени 
по формуле: 
. Или действующее значение напряжения по формуле: 
.
А это, соответственно, эквивалентно вольтметрам среднего и действующего значения. Так же можно разработать виртуальный осциллограф, частотомер и другие приборы. Виртуальные измерительные приборы уже находят своё применение в энергетике [2]. Очевидно, что их введение необходимо и в учебный процесс при подготовке инженеров-энергетиков, для которых электрические измерения – одна из важнейших дисциплин в учебном процессе.
На кафедре "Электроснабжение" ГГТУ им. П. О. Сухого разработан комплекс виртуальных измерительных приборов (КВИП) и лабораторный стенд на его основе. Аппаратная часть КВИП включает стандартные измерительные преобразователи тока и напряжения типа ЭП8527, сосуд с трансформаторным маслом и нагревателем, датчики температуры типа ТСМ и многоканальный цифровой регистратор (разработан и собран непосредственно на кафедре) на основе микроконтроллера AT90S8535. Цифровой регистратор имеет следующие технические данные:
|
Число аналоговых каналов: Напряжения…………………………………... Тока…………………………………………... Температуры…………………………………. Максимальная частота дискретизации………. Объём собственного ОЗУ……………………. Интерфейс связи………………………………. |
3 3 2 14400 Гц 128 кб RS232 |
Функциональная схема лабораторного стенда приведена на рис. 2. Измерительные преобразователи, цифровой регистратор и датчики температуры вынесены на лицевую панель лабораторной установки, что формирует у студентов представление о КВИП, как об аппаратно-программном комплексе.
Рис. 2. Функциональная схема аппаратной части КВИП
Программное обеспечение ПК для КВИП представляет собой стандартное Windows-приложение, названное Virtual Device, где имеется возможность настройки параметров цифрового регистратора, а также следующие виртуальные приборы: вольтметр, амперметр, частотомер, фазометр, ваттметр, осциллограф реального времени, регистрирующий осциллограф, построитель векторных диаграмм и двухканальный регистрирующий термометр. Внешний вид главного окна программы Virtual Device показан на рис. 3; окна виртуального осциллографа с результатами измерения переходного процесса включения лампы накаливания мощностью 500 Вт – на рис. 4.
Рис. 3. Внешний вид главного окна программы Virtual Device
Рис. 4. Внешний вид окна виртуального осциллографа программы Virtual Device
Приложение Virtual Device организовано с учётом постановки учебного процесса. Все действия в программе выполняются последовательно и носят в большинстве случаев методический характер. Студент, выполняя эти действия, воспринимает материал по принципу "от простого к сложному". Последовательность действий, как правило, такова:
1) выбор COM – порта;
2) проверка наличия связи с регистратором;
3) выбор параметров регистратора и передача этих параметров в регистратор;
4) ввод масштабных коэффициентов по каналам;
5) запуск одного из виртуальных показывающих приборов и анализ полученных значений;
6) запуск процесса регистрации для записи данных в ОЗУ регистратора;
7) чтение данных из ОЗУ регистратора в ПК;
8) запуск виртуального регистрирующего осциллографа и анализ полученных значений.
В программе имеется возможность сохранять измеренные данные в текстовый файл для его дальнейшего использования существующими приложениями (MathCAD, Matlab).
КВИП можно использовать в учебном процессе студентов энергетических специальностей по следующим дисциплинам: "Промышленная электроника и информационно-измерительная техника", "Качество электрической энергии", "Переходные процессы в системах электроснабжения" и других. Лабораторная работа на основе КВИП может быть названа, например, "Виртуальные измерительные приборы" или "Анализ показателей качества электрической энергии". В одном случае цели таковы: ознакомить студентов с современными средствами измерения; сформировать у студентов представление о возможностях ПК в области электрических измерений; рассмотреть теорию дискретизации аналоговых сигналов. В другом – научить использовать виртуальные средства измерения для определения показателей качества электрической энергии; получать достоверную и наглядную информацию о показателях качества электрической энергии.
КВИП позволяет также проводить различные научные исследования на основе анализа экспериментальных данных, вовлекать студентов в процесс совершенствования программы Virtual Device.
Одно из несомненных достоинств применения КВИП в учебном процессе – это элемент увлекательной игры, что очень важно в психологическом плане усвоения материала вне зависимости от возраста студентов.
При этом необходимо отметить, что изучение виртуальных измерительных приборов не отменяет необходимость изучения существующих приборов. Изучается, прежде всего, новый класс приборов, их возможности и особенности применения.
Разработанный комплекс виртуальных измерительных приборов отличается, прежде всего, учебно-методической направленностью, так как все его структурные элементы рассматриваются по отдельности, что способствует улучшенному восприятию материала студентами.
Список литературы
1.
Атамалян Э. Г. Приборы и
методы измерения электрических величин: Учеб. пособие для втузов. М.:
Дрофа,
2005. 415 с.
2.
Pat. 7305312 U. S., Int. CI G 01 R 13/00. Method and apparatus for
recording a real time signal. / Hamre et al.; Filed 10.01.2006; www.patft.uspto.gov.
3. Зализный, Д. И., Широков О. Г. Использование виртуальных средств измерения при обучении инженеров-энергетиков // В сб. матер. всеросс. науч.-техн. конф. "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования". Томск, ТПУ, 12–14 мая 2008 г. Томск, 2008. С. 8–9.