АВТОРЕФЕРАТ - Технически Университет - София

Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И ЯФ А К У Л Т Е ТА В Т О М А Т И К АКатедра: „Електроизмервателна техника”маг. инж. Владислав Деянов СлавовВИРТУАЛНА ЛАБОРАТOРИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ФИЗИЧНИ ВЕЛИЧИНИАВТОРЕФЕРАТна дисертацията за присъждане на образователна и научна степен „ДОКТОР”Професионално направление5.2 Електротехника, електроника и автоматикаНаучна специалност:02.05.43 „Електроизмервателна техника”Научен ръководител:доц. д-р инж. Ташо Ангелов ТашевРецензенти:доц. д-р Рангел Венциславов Диновпроф. д-р Иван Николов ПетровСофия, 20111

КРАТКО СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРАТЦИОННИЯ ТРУДГЛАВА 1: ОБЗОР НА РАЗВИТИЕТО И СТРУКТУРАТА НА ВИРТАУЛАНАТАЛАБОРАТОРИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕРетроспективен анализ на определението за виртуална лабораторияСимулации и експериментиКомпютърна симулация, която позволява важни функции на лабораторен експериментда бъдат изпълнени от компютър се нарича виртуална лаборатория. Съществуват две основниконцепции свързани с тази идея.- Експериментът е заменен от компютърен модел т.е. експериментът представлявасимулация Симулациите, които представят възможно най-точно реалните лабораторниексперименти, се наричат виртуални лаборатории.- Виртуалните експерименти могат да бъдат дефинирани като виртуални, когатоекспериментите не се управляват чрез директна манипулация, а чрез компютри, свързани слабораторното оборудване с мрежа (например WWW). Този вид виртуални лаборатории сенаричат още дистанционни.През 1997 Крамер и Де Майер дават различно от цитираното по-горе определение завиртуална лаборатория : Виртуалната лаборатория се определя като програмна симулация наексперимент, чиито изходни данни не се различават от данните на реалния физиченексперимент.Ко и Чен разделят виртуалната лаборатория на два вида – дистанционна уеб-базираналаборатория и симулационна дистанционна лаборатория.• Симулационна дистанционна лабораторияСимулационната дистанционна лаборатория е вторият най-разпространен метод заизползване на Интернет с цел обучение (най-разпространен е т. нар. “уебсайт курс” метод).Известно е, че програмно осигурените демонстрации на абстрактни концепции могат да бъдат впомощ на студентите за по-добро разбиране и усвояване на сложни материи.Дистанционна WEB-базирана лабораторияИдеята за дистанционна уеб-базирана лаборатория в общия смисъл на виртуалналаборатория, предполага преодоляването на тези ограничения. Такава система позволява настудентите достъп до лабораторни експерименти по всяко време и навсякъде чрез интернет.По-конкретно, правилно разработена виртуална лабораторна среда би осигурила на студентитевъзможност за провеждане на експерименти по реалистичен модел, имитирайки тяхното реалноприсъствие в лабораторията.Една от дефинициите, която може би определя най-пълно и ясно виртуалната лабораториятвърди: “Виртуалната лаборатория е разпределена работна среда с основна цел осигуряване наразнообразно лабораторно оборудване и изчислителни ресурси. Виртуалната лабораториятрябва да включва реални експерименти.” Това означава, че потребителя трябва да имавъзможност за събиране на реални данни. Виртуалната лаборатория трябва да осигуряваинструменти за съвместна работа, с помощта, на които да се преодолее присъщото заразпределените среди географско разделение. Пример за това е интернет. С други думи казановиртуалната лаборатория трябва да осигурява глобален достъп.От казаното до тук могат да бъдат обобщени следните характеристики на виртуалнаталаборатория - провеждане на реални експерименти и събиране на реални данни, разпределенасреда, глобален достъп, минимални ограничения от ресурсен тип, висока степен на защита,функционалност.Структура на виртуалната лабораторияВиртуалната лаборатория може да включва различни компоненти в структурата си взависимост от експериментите, които ще бъдат провеждани в нея. В дисертационния труд са5

разгледани различни примери на структури на виртуална лаборатория с различни типовепрограмно осигуряване .Тези примери заедно с примерите в литературата ми позволяват да обобщя следнатаструктурна схема за виртуална лаборатория.Фигура 1.6. Обобщена структура на виртуална лабораторияВиртуалната лаборатория може да се състои от различни структурни възли взависимост от типа на експериментите, които ще се проведат в нея. На фигура 1.6 е показанаобобщена структура, в която се съдържат структурни блокове общи за повечето съществуващивиртуални лаборатории.- WEB портал – С този структурен блок се изпълнява една от основнитехарактеристики на виртуалната лаборатория – глобален достъп. През интернетпотребителят ще има достъп и до компютъра и до оборудването в лабораториятачрез подходящо проектиран потребителски интерфейс върху компютъра наклиента.- Сървър – компютър с добри характеристики, който може да изпълнява голямнабор от симулации и обработка на данни.- Базата данни съдържа специфична за приложението информация като началниусловия, ограничения, експериментални наблюдения, изисквания и др.Съдържанието на базата данни трябва да бъде обновявано автоматично. Тя същоможе да бъде разпределена. Трябва да се предвиди факта, че базата данни щесъдържа голямо количество информация и ще се разширява.- Оборудване, свързано с изчислителната мрежа. Това е важен структурен блок навиртуалната лаборатория, който я прави действителна. Този блок е свързан схарактеристиката за събиране на реални данни и провеждане на реалниексперименти.- Програмно осигуряване. Всяка виртуална лаборатория е изградена на база наспецифично програмно осигуряване, което позволява симулация на процеси,анализ на данни и/или визиуализация. Това е ключов структурен блок ворганизацията на виртуалната лаборатория. Програмата взаимодейства съссредата и позволява на потребителите да работят с нея чрез подходящпрограмен интерфейс. Потребителят от своя страна трябва да има априорнипознания за това как да използва възможностите на програмата. Програмнотоосигуряване трябва да позволява на потребителите достъп до реалнотолабораторно оборудване през уеб портал и да взаимодействат с него, както биханаправили това в напълно реална среда. Програмното осигуряване е внепосредствена връзка с понятието инструмент характерно за всякалаборатория. Във виртуална среда се използва термина виртуален инструмент.6

ГЛАВА 2. КРИТЕРИИ ЗА ИЗБОР НА ПРОГРАМНОТО ОСИГУРЯВАНЕ НАВИРТУАЛНА ЛАБОРАТОРИЯВ първа глава беше отбелязано, че програмното осигуряване е ключова структурнаединица във всяка виртуална лаборатория, затова в тази глава ще бъдат разгледанисъществуващите възможности за избор на подходящ софтуер и да се обобщят критериите, покоито да бъде оптимизиран този процес.Програмното осигуряване може да се раздели на няколко нива, които може да сеопишат йерархично.Програмно осигуряване на регистърно нивоПрограмното осигуряване на регистърно ниво изисква познаване на вътрешнатаструктура на регистрите на устройството (DAQ карти, RS232 инструменти, GPIB инструментиили VXI модули) за въвеждане на битова комбинация, взета от инструкциите за програмиранена измервателните функции на устройството. Това е най-сложния начин на програмиране. Врезултат програмата е силно зависима от хардуера и рядко изпълнима на системи с различенхардуер, т.е. ниска степен на универсалност.Програмно осигуряване на драйверно нивоЕдин от най-важните компоненти в измервателните системи днес е програмнотоосигуряване използващо драйвер за управление на съответния инструмент или устройство.Драйверите изпълняват реалната комуникация и контрол над измервателния хардуер всистемата. Те предлагат сравнително лесен за ползване програмен модел, който позволявапълен достъп до сложните измервателни възможности на инструмента.Програмно осигуряване на високо нивоВ момента най-популярният начин за програмиране се основава на инструменталнотопрограмно осигуряване на високо ниво. С лесни за използване команди, инженери и ученибързо могат да създават, конфигурират и представят измервателната информация в достъпна запотребителя форма. Изборът на подходящ програмно осигуряване може да се окаже не лесназадача поради широката гама, която се предлага на пазара. Най-популярните и най-честоизползвани са LabVIEW, LabWindows, VEE HP, TestPoint, Measurement Studio, EPICS, Matlab.Избор на програмно осигуряване на виртуална лабораторияНа пазара се предлага голямо количество програмно осигуряване за компютърнисимулации, управление и визуализации. В литературни източници се цитират значителен бройинструменти със специфично приложение на базата на различни видове програмноосигуряване като Hypertext, Visual Basic, Authoware, Director, Labtech, Visual C++,Matlab/Simulink, LabVIEW и др. За избор на подходящо програмно осигуряване за създаване навиртуални инструменти могат да се изведат следните обобщени критерии:- Модулност – позволява лесна проверка на отделни модули и опростена разработка наприложения;- Мултиплатформена преносимост – позволява на проектантите да работят по отделничасти, след което да ги съберат в обща платформа;- Съвместимост със съществуващия код – позволява работа с по-стари приложения иверсии на програмното осигуряване;- Апаратна съвместимост – позволява събиране на данни от апарати с различен интерфейс;- Гъвкавост на библиотеките – позволява създаване на програми на ниско ниво, коитомогат да се свързват в системи от високо ниво;- Добри характеристики за трасиране – оптимизира разработването на продукта и определядефектите в кода;- Изпълнимост – предпазва от промени, скрива кода и създаване на самостоятелниприложения;- Add-on пакети – индексира доколко продукта е приет пазарно и скоростта на развитие;7

- Работа – потвърждава, че крайния продукт ще изпълнява поставените изисквания заработа;- Интуитивен графичен потребителски интерфейс (GUI) - осигурява необходиматапомощна информация на потребителя и го насочва в следващи действия;- Мултимедийни възможности – има връзка с бъдещи разработки.Приема се, че горе изброените характеристики се отнасят за идеализиран програменинструмент. Реално, такива инструменти са или твърде сложни за използване или твърде скъпи,а и не винаги осигуряват всички необходими функции за изпълнение на поставената задача.В края на миналия век започна тенденция на бързо развитие на графичните програмниезици продиктувана от изискванията за програмни среди, в които бързо и лесно да серазработват инженерни приложения, без да са необходими квалифицирани знания попрограмиране. Такава среда е и LabVIEW, графичен език, който е изключително широкоизползван за разработки в различни области на индустрията и инженерните науки по цял свят икойто покрива достатъчно задоволително критериите за програмно осигуряване за създаване навиртуална лаборатория. Изследванията и разработките в настоящия дисертационен труд същоса направени с помощта на LabVIEW, затова ще бъде направено кратко описание нахарактеристикте му.Картко описание на основните характеристики на LabVIEWLabVIEW (накратко от Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) еплатформа и среда за разработка на визуален програмен език, създадена от National Instruments.Този език е графичен и се нарича „G”.LabVIEW е графична среда за бързо създаване на гъвкави приложения за дизайн,управление и тест на минимална цена. С LabVIEW инженери и учени от цял свят работят среални сигнали, анлизират данни със съществено значение и разменят резултати чрезподходящи визуални средства, доклади и в световната мрежа. Без значение на опита катопрограмист LabVIEW прави разработването на такива приложения бързо и лесно за всичкипотребители.Програмите в LabVIEW се наричат виртуални инструменти (ВИ), защото визуално иоперативно имитират физически инструменти като осцилоскопи, мултимери и др. LabVIEWсъдържа богат набор от инструменти за събиране на данни, анализ, представяне и съхраняванена данни и резултати, както и инструменти за помощ при създаване на кода на програмата.Характеристики на виртуалните инструментиКакто беше споменато виртуалните инструменти са основна структурна единица навсяко LabVIEW приложение, за това в дисертационния труд са разгледани по-подробносъщността им и някои техни характеристики.Виртуалните инструменти се използват за създаване на пригодими системи за тестване,измерване, анализ и автоматизиране чрез комбиниране на различни хардуерни и софтуерникомпоненти. Ако системата се променя често, могат да се използват различни части навиртуалния инструмент, без да е необходимо закупуването на допълнителен хардуер илисофтуер.Основните характеристики на виртуалните инструменти са – гъвкавост, ниска цена,възможност за работа с вирок набор от Plug-in и мрежов хардуер, софтуерна определеност.ЗаключениеС подходящия софтуер в инструмента могат да бъдат вградени интелигентност испособност за взимане на решения така, че той да се адаптира при промяна на измерваниясигнал. Важно предимство, което софтуера осигурява, е модулността. Когато се работи посложна задача крайната цел може да бъде постигната чрез разбиването и на по-простифункционално решими задачи. Създава се виртуален инструмент, който решава всяка от тезизадачи, след което те се обединяват в цялостна система, която решава поставения проблем.Доколко лесно може да бъде изпълнена една такава задача зависи главно от архитектурата насофтуера.8

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРАНА СИСТЕМА ЗА КАЛИБРИРАНЕ И ПРОВЕРКА НАСРЕДСТВАТА ЗА ИЗМЕРВАНЕЗатворена система за калибриранеАвтоматизираните системи за проверка и калибриране на средствата за измерване найчестосе изграждат на принципа на т.нар. затворена система за калибриране.Затворената система за калибриране е една от най-значимите разработки в областта наизмервателните и калибриращи инструменти в последните години. Затворената система еизградена на база на връзка между измерване работата на инструмента и действителнитенастройки на неговите оперативни характеристики. Затворената система изключва каквато и дае физическа намеса от страна на човека в самия цикъл. Блокова схема на такава система епоказана на фигура 3.1.Фиг. 3.1 Блокова схема на затворена система за калибриранеСитемата калибратор-цифров мултимер е затворена с компютър, който на практикауправлява процеса на калибриране. Калибраторът и мултимерът обменят данни с компютъра,който казано най-общо определя кога еталонът да подава стойности към измервателнотоустройство, определя обхватите, времето за измерване, точността.Видове интерфейсиОсновните компоненти на компютърно базираните инструменти са интерфейс картите,чрез които стационарните такива комуникират с компютъра. В дисертационния труд поподробноса разгледани характеристикитена GPIB поради факта, че този интерфейс бешеизползван основно при синтезирани на виртуалните системи за калибриране и проверкасвързани с изпълнението на задачите.Характеристики на GPIBGPIB, която се използва при създаването на виртуални системи, е цифрова, 24-проводна, паралелна шина. Тя се състои от 8 линии за данни, 5 за управление, (ATN, EOI, IFC,REN и SRQ), 3 хендшейк линии и 8 линии маса. Използва 8 битова паралелна, байт-серийна,асинхронна схема за обмен на данни, което значи, че всички байтове последователнопреминават хендшейк със скорост, определена от най-бавния елемент (участник) в обмяната.Поради факта, че единицата при GPIB е байт (8 бита) обмяната на съобщения често е кодиранакато ASCII стринг от символи.Сигнали за прекратяване обмена на данниGPIB има три различни метода да сигнализира за край на обмена на данни. Това сахардуерна линия, край на стринг и брой байтове.Мрежова топологияВсяко устройство, включително компютърните интерфейсни карти, трябва да има уникаленGPIB адрес в интервала от 0 до 30. Адрес 0 обикновено е предназначен за самата GPIB карта.Инструментите по GPIB могат да използват адреси от 1 до 30. За трансфер на команди илиданни към инструмента, контролерът адресира един “talker” (предаващ) и един или повече„listeners” (приемащи). Стринговете данни приети и хендшейкнати през шината от предаващиякъм приемащия (приемащите). Устройствата могат да бъдат свързани в линейна топология,звезда или комбинация от двете.За постигане на висока скорост на обмен обикновено се налагат следните ограничения:9

- Максимално разстояния от 4 метра между всеки две устройства и средно разстояние от2 метра за цялата шина;- Максимална обща дължина на кабела не по-голяма от 20 метра;- Не повече от 15 устройства на всяка шина с не по-малко от 2/3 от тях включени;Основната част при разработването на автоматизирана система за проверка икалибриране е създаването на драйвери (програми за управление), които да управляваткалибратора и цифровия мултимер. Съществуват два подхода при изпълнението на такавазадача. Първият изисква разработване на нов драйвер, следвайки предварително известниправила. Вторият се състои в модифициране на вече съществуващ драйвер (шаблонен драйвер)в такъв, който да изпълнява функциите на проектираната система.Моделиране и разработване на LabVIEW Plug&Play драйверТози драйвер представлява съвкупност от виртуални инструменти за управление напрограмируеми инструменти. Всеки виртуален инструмент е предназначен за някаква операциянапр. конфигуриране, превключване, прочитане на измервателната информация отинструмента. Драйверите помагат на потребителите да започнат да използват инструмента презтехния компютър като намяляват времето и разходите тъй като не е нужно да учат програмнияпротокол за всеки инструмент. Модулното проектиране прави приспособяването на драйверакъм конкретните нужди по-лесно.Използването на стандартната архитектура за всички LabVIEW драйвери за инструментиима следните предимства - подобрява съвместимостта на драйверите, подобрява качеството надрайверите, минимизира повтаряемостта на операциите за създаването, улеснява крайниятпотребител, осигурявайки последователност в методологията за използването на драйверите отразлични източници, опростява процеса на разработване на драйвери.Модел на LabVIEW Plug&Play драйверМоделът на LabVIEW Plug&Play драйвер е изграден върху две структури – вътрешна ивъншна. Външната структура показва как драйвера взаимодейства с потребителя и другисофтуерни компоненти на системата. Вътрешната структура показва вътрешната организацияна софтуерния модул на драйвера.Външна структура на драйвераОсновен елемент в структурата е програмируемия интерфеси или т. нар. API(Application programming interface) - виртуални инструменти, които потребителя извиква отприложения от по-високо ниво. Фигура 3.4 показва как драйверът взаимодейства с останалатачаст от системата.Фигура 3.4 Външна структура на LabVIEW драйверВътрешна структура на драйвераВътрешната структура на драйвера дефинира организацията на ВИ драйвера. Всичкидостъпни за потребителя API виртуални инструменти са организирани в модулна йерархиябазирана на функционалността на инструмента.Фигура 3.5 показва вътрешната структура на LabVIEW драйвер. Крайният потребителможе да инициализира всички инструменти наведнъж в началото, да конфигурира множествоинструменти, след което да превключва няколко инструмента едновременно. Възможно е и да10

се инициализира и конфигурира даден инструмент веднъж, след което той да се превключва ичете от него многократно.Фигура 3.5 Вътрешна структура на LabVIEW драйвердве.Разработване на LabVIEW драйверРазработването на LаbVIEW драйвер по методичен принцип може да бъде разделен наФигура 3.5 Методи за разработване на LabVIEW драйверИзборът на метод зависи от познанията и възможностите на проектанта, както и отналичните ресурси. В световната мрежа съществуват и могат да бъдат намерени, свалени иизползвани (в повечето случаи безплатно) много и различни LabVIEW приложения. В товамногообразие се включват и виртуални инструменти за управление на различни видове и отразлични производители измервателни уреди. При това положение значително по оправдано отгледна точка на икономия на време и труд е изборът на метода на модифициране приразработване на LabVIEW драйвер. Този метод най-общо се изразява в промяна на вечесъществуващ драйвер са инструмент изпълняващ същите функции като този, който ще бъдеупрваляван. Степента на модифициране изцяло зависи от специфичните характеристики наинструмента и поставените изисквания към функциите, които драйвера трябва да изпълнява.В някои от случаите ,обаче модифициране е невъзможно тъй като няма разработендрайвер предварително. Съществуват случаи, когато се намира драйвер за подобен инструмент,но протоколът за управление на интефейса не е унифицирам и командите за управлениесинтактично са напълно различни. Пример за това са уреди управлявани с интерфейс IEEE488.1. При тази ситуация се налага създаване на нов драйвер. За да може обаче, този драйвер дабъде използван и за други подобни приложения и да дава възможност за модифициране сепрепоръчва при създаването му да се следват няколко стъпки. В Стъпка 1 се проектираструктурата на драйвера. В Стъпка 2 се модифицира шаблон на ВИ драйвер. В Стъпка 3 седобавят допълнителни ВИ.Тези стъпки са препоръчителни, а не задължителни. Не съществува стандарт, който даказва как трябва да бъде разработена една програма за управление на инструмент. Въпреки товаследването на тези стъпки би улеснило значително модифицирането на драйвера, ако това сеналага и би довело до известна степен на унифициране на разработените приложения,обслужващи едни и същи функции.11

ГЛАВА 4. КАЛИБРИРАНЕ И ПРОВЕРКАНА СРЕДСТВАТА ЗА ИЗМЕРВАНЕУводНастоящата глава разглежда елементи от методиката и подходите свързани спровеждане на калибриране и проверка на средства за измерване, като по специално тук сеотделя внимание на следните въпроси: определя изискванията, методите, еталоните,техническите средства, обработката и представянето на резултатите от калибриране наелектронни мерки, калибратори, делители и цифрови волтметри за постоянно напрежение (понататък в текста “волтметри“), използвани самостоятелно или като част от мултимер.Методиката се отнася за електронни мерки, калибратори и волтметри с обхват от 10 mV до1000 V с не по-малка от 3 ½ разрядна индикация.Същност на метода за калибриранеМетод за калибриране на СИПри калибрирането на електронни мерки, калибратори и волтметри се използва прякметод на измерване, т.е. чрез електронна мярка/калибратор се задават номинални стойности нанапрежението в точките на калибриране за всеки един обхват и се отчитат стойности сволтметър. Процесът на калибриране е автоматизиран като за целта е разработен софтуеренмодул на база LabView. Изискването към калибратора и калибрирания волтметър е те да иматтехническа възможност за управление, чрез съответен интерфейс.Чрез електронна мярка/калибратор се задават номинални стойности на напрежението вточките на калибриране за всеки един обхват и се отчитат с волтметър.Използвани технически средстваИзисквания при калибриранетоКалибрирането се извършва с калибратор с обхват, съответстващ на обхвата накалибрирания волтметър.Необходим е барометър с разделителна способност 0,01 hPa и обхват, включващатмосферното налягане при калибрирането.Препоръчително е да се спазва отношение 3:1 между годишната спецификация накалибрирания уред и неопределеността на еталона от свидетелството му за калибриране.Метрологичните и техническите характеристики на СИ са дадени в техните ТОИЕ.Изисквания към СпСИЗа регистриране на условията на околната среда се използват термометър сразделителна способност 0,1 °C и обхват, включващ температурата на калибриране и влагомерс разделителна способност 1 % RH и обхват от 20 % RH до 70 % RH.Условия на калибриранеПри извършване на калибрирането се спазват изискванията към околната среда всектора според ЕМИ-И-503-02-01.Провеждане на калибриранетоПодготовка за извършване на калибриранетоПреди започване на калибрирането се извършва външен оглед на уредите заустановяване на пълно окомплектоване съгласно ТОИЕ, отсъствие на механични повреди иналичие на необходимата идентификация.Спазват се изискванията за предварителна подготовка на СИ, участващи вкалибрирането, според ТОИЕ и специализирани международни научни публикации. Притехническа възможност се извършва функционален тест и/или автонастройване(ACAL/SELFCAL) на волтметрите.12

Мерки за безопасностПри работа с уредите се спазват изискванията на “Инструкция по безопасност на трудав сектор ЕМИ” и специфичните изисквания за безопасност, посочени в техните ТОИЕ.Настройване на волтметритеНастройване се извършва при техническа възможност в случаите на установяване нагрешки на волтметъра, по-големи от допустимите, спрямо годишната спецификация в ТОИЕ изаявено желание на клиента или изискване на клиента за настройване преди калибриране.Настройването на волтметрите се изпълнява съгласно техните ТОИЕ, след което те секалибрират.Ред за извършване на калибриранетоПреди започване на измерванията се извършва закъсяване на кабелите и нулиране наволтметъра на съответния обхват.Стойностите се определят чрез многократни измервания (не по-малко от десет на брой)или чрез измерване на горна и долна граница в случаите на бързо изменящи се във времетостойности на измерваната величина.Обработка на резултатите от калибриранеКалибриране по пряк метод на измерванеМодел на измерванеОценката на поправената стойност на резултата от измерване се описва със следнитематематични модели в зависимост от СИ, което се калибрира, в единицата на измерванатавеличина:U = U + δ U + δ + δUdr UresкъдетоU - напрежение, отчетено от еталонния волтметър;δ U - поправка на измереното с волтметъра напрежение;Udr δ - поправка от дрейф на измереното с волтметъра напрежение след неговотопоследно калибриране;δ Ures - поправка на измереното напрежение, дължаща се на разделителнатаспособност на волтметъра. Тази поправка се включва в бюджета на неопределеностсамо при измерване в режим с по-малка разделителна способност, в сравнение с режимапри калибриране на еталона.Поправката δ U се определя от свидетелството за калибриране на калибратора.Анализ на неопределеносттаСредноквадратичната неопределеност u( δ U), свързана с еталона, се взима отсвидетелството му за калибриране. В случаите, когато не е известна, се определя чрез линейнаинтерполация между две известни стойности на неопределеността за съответния измервателенобхват на еталона или чрез експертна оценка от натрупан опит.Коефициентите на чувствителност за предложения модел са равни по абсолютнастойност на единица.В случаите, когато надеждността на средноквадратичната неопределеност трябва да сепотвърди, се определят ефективни степени на свобода ν eff по формула (E.1) от [76]. Акополучената стойност не е цяло число, то тя се закръгля до съседното по-малко. Въз основа натази оценка се избира стойност на коефициента на доверителен интревал от таблица G.2 от [77]за вероятност 95 %.При автоматизираното калибриране първичните данни и неопределеностите сеобработват от съответните програмни продукти.(4.1)13

Представяне на резултатите от калибриранеРезултатът от калибрирането се оформя в таблица, която съдържа информация заноминална стойност на калибрираната електронна мярка/обхват на калибрирания уред,задавана/действителна стойност на напрежението (номинална за калибратори, за делители не седава), действителна стойност/измерена стойност), неопределеност на измерването.Ред за провеждане на проверката на средства за измерванеПроверката на средства за измерване се извършва за всеки обхват на средството заизмерване по пряк метод на измерване. Чрез еталон се задават поне 10 точки (стойности) наизмерваната величина, равно-интервално разположени в обхвата на средството за измерване. Завсяка точка от обхвата се провеждат поне 10 многократни измервания. Изчисляват се среднитестойности за всяка точка и се определя абсолютната грешката, изчислява се относителноприведенатагрешка, която се сравнява с класа на точност на средството за измерване всъответния обхват. Средството за измерване е издържало проверката за съответния обхват, аковсички относително-приведени грешки са по-малки от класа на точност (граничната стойностна приведената грешка), отчетена от техническата документация на средството за измерване.Препоръчително е да се спазва отношение 3:1 между годишната спецификация напроверявания уред и неопределеността на еталона от свидетелството му за калибриране.Метрологичните и техническите характеристики на СИ са дадени в техните ТОИЕ.ГЛАВА 5. ИЗМЕРВАТЕЛНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ ЗА ТЕМПЕРАТУРА ИПРЕМЕСТВАНЕОбщи сведения за измерването на температуратаТемпературата е една от най-често измерваните величини. Чрез нея се определятбиологичните условия на дадена среда и може би, затова тя е от първите измервани величини.Ето защо областта от науката за измерванията – метрологията, която се занимава с методите исредствата за измерване на температурата, е актуална и се развива непрекъснато. Особеноактуален е въпросът за повишаването на точността при измерване на температура, тъй като вмного практически случаи това е свързано с намаляването на енергийните разходи.Видове средства за измерване на температураТермометрите в зависимост от скалата, физичните зависимости и веществатаизползвани за построяването на тези уреди, те биват - Термометри на основата на разширениена телата, термосъпротивителни термометри, термоелектрически термометр, оптичнипирометри, специални.За целите на дисертационният труд бяха избрани двата може би най-популярни сензораза измерване на температура – терморезитор и термодвойка, затова на кратко ще бъдатпредставени техните основни характеристики.Принципът на действие на термосъпротивителните термометри (ТСТ) се основава насвойството на електропроводимите материали да изменят своето електрическо съпротивлениепри промяна на температурата. Най-широко приложение за направа на ТСТ са намериличистите метали. Тяхното специфично съпротивление се определя по формулата:ρ=1/(n_e μ_) , (5.1)къдетоn_, m -3 е броят на свободните електрони в единица обем;e, C – зарядът на електрона;μ_, m 2 /Vs – подвижността на електроните, числено равна на скоростта, която те биха имали велектрическо поле с итензитет единица.ТермодвойкиПрез 1821, немско-естонският физик Томас Йохан Зеебек открил, че когато някойпроводник бъде нагрят неравномерно, той ще генерира напрежение. Това е известнияттермоелектрически ефект или ефект на Зеебек. Всеки опит за измерване на това напрежение14

налага свързването на друг проводник към горещия край. Този допълнителен проводникследователно също ще бъде подложен на изменение на температурата си и ще създаденапрежение противопоставящо се на напрежението в разглеждания проводник.В практиката често не е известна температурата на студения край на термодвойкатазатова се вграждат допълнителни термочувствителни устройства (термистори или диоди) за дасе измери температурата на входа на инструмента, като се предприемат специални мерки занамаляване на температурните разлики на клемите. Така, напрежението на студения край можеда бъде симулирано и с негова помощ да се поправи крайния резултат от измерването. Това еизвестно като компенсация на студената връзка(cold junction compensation). По принцип тазикомпенсация може да се изпълни и от софтуер.Измервателни преобразуватели за измерване на преместванеВ практиката съществуват различни по тип и принципи преобразуватели за измерванена широк набор от физични величини. В настоящия дисертационен труд вниманието е насоченокъм два от тях – капацитивен и индуктивен. Различни конфигурации на тези два типапреобразуватели, включени в различни измервателни схеми, са изследвани и проведените с тяхексперименти са анализирани.Индуктивни преобразувателиИндуктивни се наричат преобразувателите, при които под въздействието на входнатавеличина се променя индуктивността на преобразувателя. Тя обикновено е включена велектрическа верига, на която променя параметрите. Индуктивността се променя като се влияепо подходящ начин на някой от определящите я параметри. В зависимост от това кой именно еизбран, принципите на построяване и конструкцията са различни. Общото е, че промяната наиндуктивността води до изменение на индуктивното съпротивление, което от своя странапроменя тока в електрическата верига. Най-често за индуктивност се използва бобина сферомагнитна сърцевина във вид на отворен или затворен магнитопровод. Известни саразлични видове индуктивни преобразуватели, но най-разпространени са дроселните исоленоидните.Капацитивни преобразувателиКапацитивните преобразуватели представляват кондензатори, които променяткапацитета си под въздействие на входната величина. Когато се използват за измерване напреместване (линейно или ъглово), се състоят от подвижен и неподвижен електрод.Подвижният се закрепва към обекта, чиито параметри на движението подлежат на измерване.При преместването се изменя капацитетът на преобразувателя.В най-общ случай капацитетът на кондензатор е функция на диелектричните свойствана средата ε и пространствените характеристики на полето g, т.е. C = f (ε, g). Капацитетът наплосък кондензатор (Фиг. 5.13), състоящ се от два електрода с размери а×b и площ наприпокриване s = a.b, разположени на разстояние δ един от друг (при δ

схеми тъй като те се характеризират с голяма точност при измерването в равновесен режим. Втози режим показанието е независимо от калибрирането и неопределеността на отчитащотоустройство. Много често обаче методите за измерване, използващи мостови схеми, санеподходящи поради специфични характеристики на измервателните преобразуватели и за товасе прибягва до други, удобни схеми за измерване, използващи различни математическизависимости на измерваната величина от характеристиката на преобразувателя.Измервателни мостовеМостовите схеми могат да бъдат конструирани да измерват различни величини (не самосъпротивления) като капацитет, индуктивност или дори качествен фактор. Както при всичкимостови схеми неизвестната величина е в „равновесие” с известна, стандартизирана, с високаточност компонента, която може да приема различни стойности (да бъде настройвана), така ченулевият индикатор да покаже, че мостът е в равновесие. В зависимост от настройките намоста, неизвестната стойност на измерваната величина може да бъде отчетена пряко отнастройваната компонента, включена в схемата или изчислена от математическа зависимост.В дисертационния труд са разгледани различни мостови схеми на база единичен мост заизмерване на капациетет и индуктивност.Проблем свързан с чувствителността на променливо токовите мостове е паразитниякапацитет между краищата на нулевия индикатор и земята. Поради факта, че кондензаторитемогат да провеждат променлив ток чрез зареждане и разреждане се формира паразитен ток къмизточника на променливо напрежение, който може да повлияе на равновесното състояние. Другпроблем при мостовите методи е, че е много трудно с тях да се измерват малки капацитети.Затова се налага използването на други методи, когато се упоребяват преобразуватели задетектиране на малки капацитети.Резонансен метод за измерване на физични величини с капацитивни и индуктивнипреобразувателиВ измервателна система, която използва преобразувател, е важно състояннието навеличината, която трябва да бъде измерена. Може би една от най-често използванитеизмервателни схеми в този смисъл е т.нар резонансна схема или трептящ кръг. Тя съдържаиндуктивност и капацитет, които работят в резонанс. Принципите на тази схема лежат на добрепознатата формула в резонансна верига:f = 1 , (5.30)r2πLCоткъдето се вижда, че при промяна на C или L се изменя и резонансната честота f r.. Визмервателната схема може да се включи усилвател. Такава схема се нарича осцилатор/вибратор/. Тя дава на изхода си синусоидален сигнал с честота определена от резонанснатачестота на LC схемата. Така, ако резонансната честота, се промени поради промяна на C или L,честотата на изходния сигнал на осцилатора също се изменя.ГЛАВА 6. АПАРАТНО И ПРОГРАМНО ОСИГУРЯВАНЕ НА РАЗРАБОТЕНИТЕВИРТУАЛНИ ИЗМЕРВАТЕЛНИ СИСТЕМИАпаратно и програмно осигуряване на виртуална автоматизирана система запроверка точността на цифров волтметър FLUKE 8842AВиртуалната автоматизирана система за проверка на точността на цифров мултимер eреализирана на база затворената система за калибриране описана в глава 3. Проверката eнаправена на цифров мултимер FLUKE 8842A в режим на измерване на постоянно ипроменливо напрежение. За калибратор (еталон) условно е използвана платформата ELVIS II.В режим на проверка точността при измерване на постоянно напрежение бешеизползван вградения управляем източник на постоянно напрежение с обхват от 0V дo 12V наELVIS II, а в режим на проверка точността при измерване на променливо напрежение16

вградения функционален генератор с възможности за автоматично управление на параметритена генерираното напрежение.За комуникация с цифровия измервателен уред беше използван интерфейс тип GPIB.При проучването на документацията на FLUKE 8842A се оказа, че комуникацията с уреда сеосъществява по стандарт IEEE 488.1. Готов драйвер за управление на измервателнотоустройство с LabVIEW не беше на разположение, което означаваше, че трябва да се приложиедин от подходите, описани в трета глава.За изпълнение на поставената задача трябваше да се напише драйвер за управлениефункционалността на измервателното устройство.Проектирането на такъв драйвер протече на два етапа:1) Проучване на документацията на цифровия мултимер с цел запознаване скомандите и синтаксиса им.2) Проектиране и изграждане на драйвер ВИ в LabVIEW.Като цяло създаването на виртуален инструмент за управление процеса на проверкаточността на цифровия волтметър беше разделен на три етапа:1) Създаване на виртуален инструмент в LabVIEW за управление на източниците нанапрежение на ELVIS II.2) Създаване на ВИ драйвер в LabVIEW за четене на измервателна информация от FLUKE8842A.3) Обединяване на двата виртуални инструмента в обща програма (виртуален инструмент)за управление на автоматизираната виртуална система за проверка точността нацифровия волтметър.ВИ драйвер за четене на измервателна информация от FLUKE 8842AЗа реализирането на този драйвер беше използван опростен алгоритъм за реализиранена структурите на LabVIEW Plug&Play драйвери описани по-горе.Проектираният драйвер за четене на данните от измервателния инструмент работи последния алгоритъма представен с блок схемата на фигура 6.2.В началото на алгоритъма се инициализират GPIB адресите на уредите участващи впроцеса на калибриране и проверка – калибратора и мултимера (мултимерите). В следващатастъпка се отваря VISA сесия за комуникация с тях като се използва информацията за адреситеот предходната стъпка. Следва уредите да се идентифицират т.е. да се определи кой каквафункция ще изпълнява в процеса на проверка и калибриране. Последна стъпка от този, може дабъде наречен, предварителен процес е определянето на броят величини N, които ще бъдатизмерване. Достигането на N ще бъде условие за прекратяване на процедурата. В същинскатачастна процедурата следва генериране на измерваната величини с определена стойност, коятосе прочита от измервателния уред. Процедурата изисква за всяка стойност на величината да сенаправят поне 10 измервания в текущата точка, затова се проверява дали това условие еизпълнено. Ако не е така, се прави следващо измерване за същата стойност на измерванатавеличина, като предварително се проверява готовността на измервателния уред за това, т.е.дали е приключило предходното измерване. Ако е достигнат зададения брой измервания 10,програмата прочита стойността на работния обхват, при който е направено измерването(обикновено процедурата се провежда в режим на автоматичен обхват). Във следващата стъпкасе правят изчисленията съответни за процедурите за проверка и калибриране, след което сепроверява дали е завършена процедурата, като се следи дали са измерени всички зададенивеличини.17

Фигура 6.2 Блок-схема на алгоритъма на работна ВИ драйвер за четене на измервателнаинформацияАпаратно и програмно осигуряване на виртуална автоматизирана система закалибриране на цифров мултимер Keithley 2000 с калибратор DATRON 4808.Целта на тази задача беше да се изпита създадения алгоритъм в реална лабораторнасреда. Тази система беше разработена за нуждите на ДП РВД, Сектор “Лаборатория закалибриране и проверка на средствата за измерване”.Разработената автоматична система за калибриране на цифров мултимер е на базазатворена система за калибриране от глава 3. Калибраторът е на фирмата DATRON тип 4808[80], а цифровия мултимер е Keithley 2000. За връзка с компютъра се използва GPIB интерфейскато устройствата са свързани в топология тип „звезда” (фиг. 3.3). За реализиране на системататрябваше да се създаде ВИ драйвер в средата на LabVIEW. Драйверът за мултимера бешедостъпен на сайта на National Instruments и трябваше да се модифицира към конкретнатазадача. Предизвикателство представляваше драйвера за калибратора, който не можеше да бъденамерен готов. Този проблем можеше да бъде решен или чрез модифициране на друг драйверза калибратор на същия производител или чрез разработване на нов такъв. След анализиране надвете възможности се оказа, че модифицирането на драйвер е по-сложната задача т. к. версиятана интерфейса използвана при 4808 е по-стара. Това означава, че синтаксиса и самите командиза запис и четене съществено се различават от стандарта IEEE 488.2, на който са изграденикомуникационните GPIB връзки между съвременните средства за измерване и контрол.Следователно създаването на виртуален инструмент за управление на процеса на калибриранебеше разделен на три етапа:1) Създаване на драйвер за калибратора DATRON 48082) Модифициране на драйвера на Keithley 2000 достъпен в интернет18

3) Свързване на двата дарйвера в обща програмаСъздаването на драйвер за DATRON 4808 протече на два етапа:1) Проучване на документацията на калибратора с цел запознаване с командите исинтаксиса им.2) Проектиране и изграждане на драйвер ВИ в LabVIEW по алгоритъма описан в6.1.Системата за калибриране има 4 режима – постоянно напрежение, постоянен ток,променливо напрежение, променлив ток. За всеки от тези случаи трябваше да се разработиотделен виртуален инструмент, който да управлява калибратора.Апаратно и програмно осигуряване на виртуална система за изследванехарактеристиките на термопреобразувателиВиртуалният инструмент за изследване характеристиките на термопреобразувателитесъдържа два основни помощни виртуални инструмента. Първият се използва за измерване натемпература с терморезисторен преобразувател тип Pt100, а втория за измерване натемпература и изследване характеристиките на термодвойка тип К. Като за компенсация натемпературата на студените краища се използва тази, измерена с терморезисторнияпреобразувател, т.е. изходната величина на първият помощен виртуален инструмент сеизползва като входен параметър за втория.Виртуален инструмент за измерване на температура с терморезисторенпреобразувателБлок диаграмата на този виртуален инструмент е представена на фигура 6.7.Фигура 6.7 Блок диаграма на виртуален инструмент за измерване на температура с Pt100Както е известно основна особеност и в голяма степен недостатък при използването натерморезисторни преобразуватели е осигуряването на стабилен източник на възбудителен ток.Без такъв източник извършването на коректна измервателна процедура е невъзможно. Запреодоляване на този проблем върху платформата ELVIS II беше реализирана електроннасхема на стабилен източник на ток представляващ преобразувател напрежение-токВиртуален инструмент за измерване на температура с термодвойкаБлок-диаграмата на този виртуален инструмент е представена на фиг. 6.9Фигура 6.9 Виртуален инструмент за измерване на температура с термодвойкаВходни параметри за системата са номера на физическия канал, през който се събиратданните, вида на термодвойката и стойността на температурата на студените краища. Заповишаване на точността се прочитат 10000 семпъла.19

Виртуална система за изследване характеристиките на термодвойка тип КБеше създаден виртуален инструмент, който има два режима на работа:1. Характеристики2. ВремеконстантаФигура 6.10 Преден панел на ВИ за изследване характеристиките на термодвойка тип К.В първия режим термодвойката се поставя в подходяща среда (например съд с вода), чиятотемпература се повишава постепенно. Важно е да е изпълнено условието студените краища натермодвойката и терморезистора за компенсация да са поставени при едни и същи условия ,т.е.T cj =T env , (6.1)където Т cj е температурата на студените краища на термодвойката, а T env е температуратаизмерена с терморезиствиния термометър.Измерената от термодвойката температура се сравнява с температурата изчислена поформулата:T eval = a0 +x (a1 + x(a2 + x (a3 + x(a4 + a5x)))), (6.2)където Т eval е изчислената температура в ºC, а x е измереното термо е.д.н. Коефициентите а0, а1,а2, а3, а4 и а5 се взимат от таблица. Резултатите се сравняват във файл в удобен за анализ вид(Приложение 7). ВИ позволява да се задава крайна температура, при чието достигане ВИ спираизпълнението. Работата на системата може да бъде прекратена във всеки един момент снатискане на бутона STOP.Вторият режим на работа служи за изчисляване на времеконстантата на термодвойкатаt1τ = ln( θk− θн) − ln( θ1− θн)(6.3)Началната температура θ н в този режим обикновено е близка (по-ниска) до крайната отпредния режим. Потребителят (студентът) определя крайната температура θ 1 , коятопреустановява работата на ВИ и се изчислява времеконстантата. θ н е температурата на околнатасреда, в която се поставя термодвойката.Фигура 6.11 Преден панел за изследване на характеристикте на термодвойка в режим наопределяне на времеконстантата на термодвойкатаТака създадената виртуална система за изследвана характеристиките на термодвойкиможе да бъде управлявана по Интернет, като експеримента ще се извършва в реално време отедин потребител, а броят на останалите, които са само наблюдатели зависи от версията наизползвания софтуера (LabVIEW).20

Виртуална система за изследване свойствата на терморезистивен преобразувателтип Pt100Тази виртуална система беше създадена с цел да бъде използвана в учебния процес заразбиране принципа на работа на терморезистивния преобразувател, изследвана и оценка наточността, както сравняване с друг вид преобразувател – термодвойка.Предният панел и блок диаграмата на тази система са представен на фигура 6.12.Фигура 6.12 Преден панел и блок диаграма на виртуална система за изследване свойствата натерморезистивен преобразувател тип Pt100Измерват се температурата с терморезистор Pt100 и термодвойка тип К по оказания в т.6.3.2 и т. 6.3.3 начини. За изследване на зависимостта на температурата на терморезистора отсъпротивлението и аналитичното изчисляване на температурата по формула (6.4) се измерва исъпротивлението на терморезистивния преобразувател, като се използва възбудителен ток съссъщата големинa, както при т.2.5.3.t2− t1T = t1 + ( Rt+ R , (6.4)t1)R − Rt 2t1където R t1 =108,96 Ω, a R t2 = 110,51 Ω са взети от таблица за температури съответно t1=23ºC иt2=27ºCВъзможно е и изчисляване на температурата с използване на коефициентите A=0.0039083и B=-577.10 -9 от зависимостта− R0A +T =2 2R A − 4R0A(R02RB− R0 t)0Изчислява се разликата от измерената с терморезистивния преобразувател температураи изчислената от измереното съпротивление, както и разликата от измерената стерморезистивния преобразувател и измерената с термодвойката температури. Резултатите сезаписват в .xls файл при натискане на бутона за запис от потребителя (Приложение 8). Следпрекратяване на измервателната процедура, което се указва с натискане на червения бутонвърху екрана създадения файл се изпраща на електронната SMTP поща на потребителя,записана в сивото поле върху екрана. Върху екрана се изчертава графика със стойностите наизмерената температура с терморезистивния преобразувател и термодвойката.Прави се измерване при стайна температура. Терморезисторът, топлият и студенитекраища на термодвойката се поставят при едни и същи условия.Апаратно и програмно осигуряване на виртуална среда за интелигентниизмервания на линейно преместване с капацитивни преобразувателиЗадачата е да се създаде универсален алгоритъм и да се проведат експерименти сизползване на различни методи за измерване на линейно преместване с различни видовекапацитивни преобразуватели.Апаратно осигуряване на виртуална среда за интелигентни измервания налинейно преместване с капацитивни преобразувателиАпаратното осигуряване на разработената система се състои от:- преобразувател;- измервателна схема;21(6.5)

- модул за събиране на данни;- компютър.За изпълнението на тази задача от дисертацията бяха използвани два вида капацитивнипреобразуватели – капацитивен преобразувател с промяна разстоянието между електродите икапацитивен преобразувател с промяна на площта на припокриване между електродите. Идвата вида преобразуватели са продукта на фирмата FEEDBCAK INSTRUMENTS LTD. и сеизползват за измерване на линейно преместване. Капацитивните преобразуватели с промяна наплощта на припокриване между електродите позволяват измервания на по-големипремествания (до 50 mm) в сравнение с капацитивните преобразуватели с промяна наразстоянието между електродите (до 5 mm). Характерна особеност и на двата преобразувателя,е, че промяната на капацитета при преместване е много малка от порядъка на 1-2 pF.За измервателна схема беше решено да се използват двата основни метода приизмерване с капацитивни и ндуктивни преобразуватели – мостов и резонансен метод.Програмно осигуряване на виртуална среда за интелигентни измервания налинейно преместване с капацитивни преобразувателиЗа работна среда за реализиране на програмната част на системата беше използванпродукта на компанията National Instruments LabVIEW.На фигура 6.15 е показана блок схемата на алгоритъма за работа на виртуалната системаза интелигентни измервания на линейно преместване с капацитивен преобразувател сизползване на резонансен метод.Фигура 6.15 Блок диаграма на алгоритъм за работа на виртуална измервателна системаза интелигентни измервания на линейни премествания с капацитивен преобразувател порезонансен метод .В началото се установява нулевата (началната позиция), след което на всяка итерация отизмервателния цикъл се променя тази позиция, измерва се честотата на осцилатора, поматематическа зависимост се изчислява капацитета. Данните се записват и след приключванена измерванията може да се построи зависимостта C=f(l). Важна стъпка в цикъла ефилтрирането на сигнала тъй като наличието на паразитни честоти при измерването ще доведедо грешни изчисления и неверни резултати. В разработената интелигентната измервателнасистема филтрирането е част от виртуалния инструмент (програмата), извършващ анализа,обработката и представянето на резултатите.22

ГЛАВА 7. РЕЗУЛТАТИ ОТ ПРОВЕДЕНИТЕ ЕКСПЕРИМЕНТИ С РАЗРАБОТЕНИТЕВИРТУАЛНИ ИЗМЕРВАТЕЛНИ СИСТЕМИРезултати от експериментите проведени с виртуална автоматизирана система запроверка точността на цифров волтметър FLUKE 8842AРезултати при постоянно напрежениеТаблица с получените резултати, записани във файл е показана в приложение 9. На фиг. 7.1са показани графики на относителната и приведената грешка съответно за обхвата от 2V(черната крива) и 20V (червената крива).2V20V2V20VФигура 7.1 Относителната и приведената грешка във функция от измерената стойност.При анализа на грешките трябва да се отчете факта, че източникът на напрежение вдействителност не е еталон. Допускането, че ELVIS II подава напрежение с висока точностбеше направено само за целите на експеримента и да се покажат принципите на една такаваавтоматизирана виртуална система за проверка на точността. От спецификацията се знае, чеприведената грешка, която в действителност може да внесе неточност в процеса на проверка е0,8 %.От графиките се забелязва, че в началото на обхватите грешките се различават постойност при увеличаване и намаляване на напрежението, докато в края стойностите са почтиравни. От това могат да се направят следните изводи:- грешката в края на обхвата се внася основно от източника на еталонно напрежение;- грешката на цифровия мултимер оказва влияние върху резултата в началото наобхватите. Това потвърждава теорията, че по-точни измервания се правят пристойности на измерваната величина, близки до номиналната стойност.Резултати от проверката при променливо напрежениеНа фигури 7.3 са показани графики на изменението на относителната приведенатагрешки спрямо стойността на измерваната величина за различните обхвати и честотa 50 Hz.Фигура 7.3 Oтносителната и приведената грешка във функция от стойността на измерванотонапрежение за честота 50 Hz и обхвати 0,2V и 2VОт графиката се вижда, че относителната грешка е най-голяма при стойности наизмерваното напрежение в първите 10% от обхвата. Тази грешка около стойност на23

напрежението 0V най-вероятно се дължи не на изследвания измервателен уред, а нафункционалния генератор ELVIS II, който не подава чиста нула. Видно е също, че стойносттана приведената грешка за обхват 0,2V не схожда към нула с приближаване на стойността наизмерваното напрежение към границата на обхвата. В обхвата 2V обаче след първоначалнитеси високи стойности тя започва да се колебае около нулата при увеличаване на стойността наизмерваното напрежение. Това означава, че при по-високи напрежения влиянието на грешкатана функционалния генератор намалява.От анализа на резултатите получни след провеждане на проверката за честоти 1kHz и 10kHzмогат да се направят същите изовди, както за проверката при честота 50 Hz.От направените експериментални изследвания на автоматизираната виртуалнатасистема за проверка точността на цифров мултимер FLUKE 8842A с условно приет източник наеталонни напрежения платформата на National Instruments ELVIS II могат да се направятследните изводи:- По-високите стойности на относителната и приведената грешка при по-нискитенапрежения за всички изследвани режими, обхвати и честоти се дължи на неточност наизточниците, приети за еталонни.- Разликата в стойностите на изчислената за една и съща точка стойност на грешката епо-голяма при по ниски стойности на напрежението, което се дължи до голяма степенна източника, който внася грешка в измерването.- Направените изследвания при три различни честоти в обхвата на ниските, средни ивисоки честоти показва, че грешката не се променя, от което може да се заключи, четочността на измерването не зависи от честотата при променливо напрежение.- Така проектираната и реализирана система може да бъде използвана и за решаване наобратната задача, а именно проверка точността на източника на напрежение.Резултати от експериментите проведени с виртуална автоматизирана система закалибриране на цифров мултимер Keithley 2000 с калибратор DATRON 4808.Тази система беше разработена за нуждите на ДП РВД, Сектор “Лаборатория закалибриране и проверка на средствата за измерване”. Поставените изисквания бяха да серазработи автоматизирана система, която да повиши бързодействието и качеството на процесана калибриране на цифрови мултимери Keithley 2000 с еталона DATRON 4808.Експерименталните резултати показаха възможности за оптимизация на следните параметри налабораторията:- повишаване на бързодействието за извършване на процедурата по калибриране;- повишаване на производителността на труда;- намаляване влиянието на човешки фактор.От направените анализи могат да бъдат направени следните изводи:1) Избора на подходящ софтуер е от огромно значение при създаване на такавасистема. Развитието на компютърните технологии и в частност на виртуалнитеинструменти благоприятства разработването на различни системи за измерване иконтрол на голямото разнообразие от инструменти на пазара.2) За програмното реализиране на системата е необходимо създаването на драйвер ВИза управление на инструментите. Използват се два подхода- модифициране насъществуващ вече драйвер и създаване на нов такъв. И в двата случая за постиганена универсалност на драйверите се препоръчва спазването на определени правила.3) Създаването на нов драйвер се налага поради спецификата на интерфейса наеталона DATRON 4808. Това усложнява задачата по разработването на системататъй като този драйвер изисква значително по различна структура от широкоразпространените (IEEE 488.2). Синтаксисът на командите също се различавасъществено.4) Реализирана интелигентна система за калибриране работи ефективно и изпълняваразработения алгоритъм. Виртуалният инструмент за управление на процеса накалибриране помага на потребителя при работа, като извежда на екрана насочващисъобщения и други за грешки, ако възникнат такива.24

5) Системата e интегрирана в лаборатории за калибриране и проверка на средства заизмерване като иновация в тази област.Резултати от експериментите проведени с виртуална система за изследванехарактеристиките на термопреобразувателиВ първата част на задачата беше конструиран виртуален термометър с терморезисторенпреобразувател тип Pt100. Експерименталните резултати показани в таблица 7.1 от направенитеизмервания с така конструирания виртуален термометър в температурния обхват между 20ºC и90ºC бяха сравнени със стойностите отчетени от цифров термометър, приет за еталонен. Тепоказаха максимална стойност на абсолютната грешка от 0,4ºC, на относителната грешка от0,67 % и на приведената грешка от 0,44 %.Таблица 7.1Тези резултати показват, че така конструираният термометър е достатъчно точен, за даможе измерената от него температура да се използва за компенсация на студените краища натермодвойката.Във втората част на задачата реализираният виртуален термометър беше използван вреализирането и изпитването на виртуална система за изследване характеристиките натермодвойка.Разработените виртуални инструменти и съответно виртуална система показаха добрирезултати след направените експерименти, а именно че разликата в температурата измерена стерморезистора и термодвойката за 21ºC е -0,3 ºC. Тази разлика е в рамките на абсолютнатагрешка на терморезистивния преобразувател и в рамките на допустимата при измерване натемпература с термодвойка тип К. Това може да се види от графиката на фиг. 7.9.Compare T(Pt100)&T(TC)Temperature (DegreesCelsius)22,521,5222120,519,52018,519TIME17: 59: 4117: 59: 4617: 59: 5117: 59: 5618: 0: 118: 0: 618: 0: 11TIME18: 3: 2218: 3: 2718: 3: 3218: 3: 3718: 3: 42T(Rt100)Фигура 7.9 Резултати от сравнението на измерването на температура с терморезистор итермодвойка.От направените експериментални изследвания с реализраната виртуална система заизследване характеристиките на термодвойка тип К могат да бъда направени следните изводи:- с помощта на виртуални инструменти могат да бъдат разработвани достатъчно точни инадеждни измервателни системи за измерване на температура използващи различнивидове преобразуватели;- ограниченията при такива разработки могат да се генерират единствено отвъзможностите на програмното осигуряване;- разработената система е успешно приложена в курсове на обучение в областта наизмервателната техника като част от виртуална лаборатория.T(TC)25

Резултати от експериментите проведени с виртуална среда за интелигентниизмервания на линейно преместване с капацитивни преобразувателиПо изпълнението на тази задача бяха направени експериментални изследвания наразработената виртуална измервателна среда за интелигентни измервания с използването накапацитивни преобразуватели за линейни премествания с промяна на площта на препокриванена електродите и промяна на разстоянието между електродите. Системата беше изпитана приработа с две основни схемни решения – мостова схема и схема с осцилатор.За реализирането на мостовия метод за измерване беше използвана схема -мост на Вин.Резултатите от направените експерименти показаха, че използването на мостови методи заизмерване на малки капацитети са трудно приложими на практика. Силно влияние приизмерването оказваха паразитните капацитети и макар да бяха положени усилия заотстраняването на това влияние, резултатите от измерването не бяха задоволителни.При първоначалните тестове с използването на резонансен метод се получихарезултати, които дадоха основание за успешно разработване на алгоритъм за работа на системаизползваща капацитивни преобразувателите. Беше разработен алгоритъм за работа насистемата. В средата на LabVIEW беше разработен виртуален инструмент, който да събираданните от изхода на осцилаторната схема, филтрира сигнала, измерва честотата на сигнала,изчислява капацитета и построява зависимостта му от преместването. Експериментите насистемата проведени по създадения алгоритъм и със създадения виртуален инструментпоказаха, че алгоритъмът се изпълнява правилно и програмата работи коректно.От направените експериментални изследвания могат да бъдат направени следнитеизводи:- тази виртуална система след нейното пълно разработване може да бъде използвана вобразователния процес в лабораторните упражнения, свързани с дисциплините поизмерване на неелектрически величини;- разработеният алгоритъм успешно може да бъде използван и за измервания синдуктивни преобразуватели тъй като изпълнението му не зависи от типа наоборудването по време на работа, а само от възможностите на програмнотоосигуряване.ОСНОВНИ НАУЧНИ И НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ1. Синтезирана е обобщена структура на виртуална лаборатория за измерване на физичнивеличини, въз основа на теоретична база и реално разработени решения. Структуратапредставя обобщен модел, който съдържа основните модули (структурни единици)характерни за всяка виртуална лаборатория и показва взаимодействието между тях.Разгледани са функциите на модулите и е анализрано тяхното значение при изграждането навиртуалната лаборатория.2. Изведени са обобщени критерии за избор на програмно осигуряване за създаване навиртуални инструменти. Обоснован е изборът на конкретен програмен продукт заразработването на виртуална лаборатория за измерване на физични величини.3. Синтезирана е схема за реализация на автоматизирана система за калибриране с приложениена виртуални технологии. Разгледана е физическата реализация на схемата, като сапредложени препоръки за оптимално осъществяване на процесите на калибриране ипроверка, както от гледна точка на програмното осигуряване, така и от гледна точка наинтерфейса.4. Синтезиран е обобщен алгоритъм за четене на измервателна информация, приложена в дверазлични виртуални автоматизирани системи за проверка и калибриране на цифровиизмервателни уреди – едната приложена в лаборатории за калибриране, а другата вобразователния процес.5. Разработена е виртуална система за изследване характеристиките на термодвойки сприложена в лабораторните упражнения за измерване на неелектрически величини.26

6. Синтезиран е алгоритъм за разработване на виртуална система за измерване на линейнопреместване. Извършената работа е предпоставка за бъдещи изследвания и реализации.СПИСЪК НА НАУЧНИТЕ ПУБЛИКАЦИИ СВЪРЗАНИ С ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД1. Vladislav Slavov, Tasho Tashev, “Closed-loop DMM Calibration”, Recent Advances inSystems, Communications and Computers - Selected Papers from the WSEAS Conference inHanghou, China, April 6-8, 2008.2. N. Gurov, V. Slavov, Virtual Approach to Laboratory Investigation of Thermocouples,Proceedings of Fourth International Bulgarian – Greece Conference ”Computer Science’ 2008”,September 18-19 2008, Kavala, Greece, pp. 314 – 319 , 2008.3. Владислав Славов, Иван Коджабашев, Огнян Димитров, Гриша Петков, Драйвер закалибратор DATRON 4808, XVIII Национален научен симпозиум с международноучастие “Метрология и метрологично осигуряване”, Септември 10-14, 2008, p. 355.4. V. Slavov, Virtual automated system for AC voltage calibration of a DMM, Proceeding of the7 th International Conference on Challenges in Higher Education and Research in the 21 stCentury, June 2-5 , 2009, Sozopol, p.59-61.5. Владислав Славов, Красимир Гълъбов, Пламен Цветков, Мобилно работно място запроверка и калибриране на средства за измерване, сп. Стандартизация, метрология,сертификация, Октомври 2010, брой 10, стр. 19.6. Nikolay Gurov, Vladislav Slavov, Tasho Tashev, Virtual Capacitive Sensor System, RecentResearches in Instrumentation, Measuremen, Circuits and Systems, Proceedings of 10 th WSEASInternationa Conference on Instrumentation, Measurement, Circuits and Systems(IMACS’11),Venice, Italy, March 8-11, 2011, pp 42-46.СПИСЪК С ИЗПОЛЗВАНИТЕ СЪКРАЩЕНИЯANSI American National Standart Institute - американски национален институт постандартизацияAPI Application Programming Interface - програмируем интерфейсDAQ Data Acquisition - събиране на данниDSP Digital Signal Processor - Цифров сигнален процесорEol End of Line - Край на линияEOS End of String - Край на стрингGPIB General Purpose Interface Protocol - стандартизиран потокол за пренос на данниGUI Graphical User Interface - графичен потребителски интерфейсIP Internet Protocol - предназначението на протокола е да позволи адресация наинформацията, която се изпраща по мрежата.MTS многофункционален еталон за сравняванеnull Нулев индикаторPC Персонален компютърRH Относителна влажностSMTP Simple Mail Transfer Protocol - интернет стандарт за предаване на електронна поща чрезИнтернетTCP "Transmition Control Protocol - мрежов протокол за управление на обмена наинформация, един от основните, използвани от Интернет.teth Еталонна температураtvi Температура измерена с виртуален инструментVISA Virtual Instrument Software Architecture - Софтуерна архитектура на виртуалнитеинструментиWWW World Wide Web - система от взаимно свързани хипертекстови документи, достъпнипрез компютърната мрежа Интернет.ВИ Виртуален инструмент27

ДП РВД Държавно предприятие "Ръководство въздушно движение"е.д.н. Електродвижежещо напрежениеЕМИ Електромагнитни измерванияМБМТ Международно бюро за мерки и теглилкиНИ Нулев индикаторОС Операционна системаСИ Средство за измерванеСпСИ Спомагателно средство за измерванет.е.д.н. Термоелектродвижещо напрежениеТОИЕ Техническо описание и инструкция за експлоатацияТСТ Термосъпротивителни термометриVIRTUAL LABORATORY FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL QUANTITIESThe rapid development in technology and establish specific problems in the academic fieldand in particular in engineering disciplines creates a constant need to develop and enlarge the amountof lecture courses, which follows these changes and this is particularly true for engineering educationfield and experimental work. The main problem is to provide students with meaningful and relativelypractical experience within an environment with limited resources.One solution to these problems is the use of computer-based technology to link students withthe physical world. This idea has been already embedded in many academic courses with anengineering focus to the use of computer-based tools and activities in the lecture and the laboratorypractices. Moreover, sharing information and experience acquired great importance.Technology education and computer studies can be divided into the following groups -computer based training, training using the computer, experimenting with using a computer. Access tothese technologies is most often done remotely via the Internet or intranet. Another condition to beenforced is an analysis of the price. Buying a brand new facility, based on the latest technology iscostly especially for educational institutions. An alternative is the approach which uses the "old"laboratory with proven systems, adapted and supplemented by a computer system for data collectionand developed specific programs to serve specific experimental modules.Virtual instruments that integrate virtual systems to measure various physical quantities aredesigned in this thesis. These virtual systems can be part of a virtual laboratory for measurements withgeneral application (science, education, industry). The structures and characteristics of the virtuallaboratory has applied the concept of virtual instruments in the construction of virtual measurementsystems of various types of physical quantities and structural schemes are designed for theconstruction of these systems.The thesis “Virtual laboratory for measurement of physical quantities” consists of 153pages and 7 chapters.The first chapter gives an overview and analysis of the development of virtual laboratory formeasurement, a version of the summary structure is defined. At the end of a chapter the purpose andobjectives of the dissertation are defined.The second chapter defines criteria for selecting the software of the virtual laboratory, which isa key structural unit in each virtual laboratory. Reasoned choice of a graphical environment LabVIEWis made.In chapter three is considered an automated system for checking and calibration of measuringdevices is modeled and developed LabVIEW Plug & Play driver.Methods and approaches related to calibration and verification of measuring equipment arediscussed in chapter four.The fifth chapter gives an overview of measurement transducers for temperature and removalmethods, schemes and tools to measure them.In the sixth chapter the hardware and software of the developed virtual measuring systems aredescribed: verification of the digital voltmeter FLUKE 8842A, calibration of the digital multimeter28

Keithley 2000 with calibrator DATRON 4808, study of the characteristics of thermo sensors forintelligent measurement of linear displacement with capacitive transducers.In the seventh chapter are presented and analyzed results of the experiments with thedeveloped virtual measuring systems for verification of the digital voltmeter FLUKE 8842A, tocalibrate the digital multimeter Keithley 2000 with calibrator DATRON 4808, to study thecharacteristics of thermo sensors for intelligent measuring linear displacement of capacitivetransducers.Scientific and practical contributions of the achieved results are pointed as follows:1. Summarized structure of a virtual laboratory for measurement of physical quantities is synthesized,based on a theoretical knowledge and developed real solutions. The structure presents а generalmodel, which contains the core modules (structural units) specific to each virtual laboratory andshows the interaction between them.2. Criteria for selection of software for creating virtual instruments are summarized. The choice of aparticular software to develop a virtual laboratory for measurement of physical quantities isjustified.3. A scheme of an automated calibration system with the use of virtual technologies is synthesized.The physical realization of the scheme is examined and recommendations for the optimalimplementation of the processes of calibration and verification are proposed, both in terms ofsoftware and in terms of interface.4. A summary algorithm for reading the measurement data is synthesized, applied in two differentvirtual automated verification and calibration of digital measuring devices - one attached incalibration laboratories, and the other in the educational process.5. A virtual system for testing the characteristics of thermocouples attached to the laboratory classesfor measuring non-electrical quantities is developed.6. An algorithm to develop a virtual system for measuring linear displacement is synthesized. Thework performed is a prerequisite for future research and implementations.29