2015 Stanislav Novák

VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství Tvorba elektronického protokolu z měření s aplikací pro kontrolu výsledků Making Electronic Protocol of Measurement with Application to Check the Results 2015 Stanislav Novák

Abstrakt Tato práce je zaměřena na vytvoření elektronického protokolu - aplikace, která vyhodnocuje protokoly z laboratorních měření. Aplikace je vytvořena v programovacím prostředí LabVIEW. Práce zahrnuje stručný přehled a popis prostředí LabVIEW, jeho vlastností, možností, objektů a funkcí, které jsou využity při tvorbě aplikace. Tato práce popisuje postup při tvorbě aplikace, aplikaci samotnou, její jednotlivé části a funkce. Dále popisuje výsledky testování aplikace pro vybraná laboratorní měření. Součástí práce jsou excelovské formuláře, do kterých student vyplňuje výsledky měření, a do kterých jsou zaznamenány výsledky kontroly. Klíčová slova: laboratorní měření, vyhodnocení, Excel, LabVIEW, aplikace, protokol. Abstract The thesis aims at designing an electronic protocol - an application which evaluates protocols of laboratory measurements. The programming environment LabVIEW was used for coding the application. The thesis features a brief overview of the LabVIEW, its characteristics and possibilities, as well as the description of objects and functions which were employed in programming the application. Moving on, it also describes the procedure of creating the application, the application itself and all its parts and functions. Finally it describes the application testing results of the selected measurements. The thesis includes excel forms meant for students to fill the laboratory measurements' results in and to write down the results of the verification process into. Keywords: laboratory measurement, evaluation, Excel, LabVIEW, application, protocol.

Seznam použitých zkratek a symbolů H S H S+ dgt H S- i I V j K k L N subvi Tol u A u B u C VI X R X Rmax Hodnota simulace Nejnižší hodnota intervalu shody Jednotky na posledním zobrazovaným místě měřícího přístroje Nejvyšší hodnota intervalu Pořadové číslo Proud procházející voltmetrem Pořadové číslo Korekce Koeficient rozšíření intervalu spolehlivosti Indukčnost [H] Počet iterací v cyklu FOR Virtuální instrument nižší úrovně Tolerance Standardní nejistota A Standardní nejistota B Kombinovaná standardní nejistota Virtuální instrument Hodnota měřícího rozsahu Nejvyšší měřící rozsah

Obsah Úvod... 1 1 Tvorba aplikace v prostředí LabVIEW... 2 2 Aplikace elektronického protokolu... 9 2.1 Laboratorní úloha Měření napětí a proudu... 15 2. 2 Laboratorní měření Měření pasivních veličin... 21 3 Testování aplikace... 30 Závěr... 35 Zdroje... 36 Seznam obrázků... 37 Seznam příloh... 38

Úvod Součástí mého studia na vysoké škole bylo ověřování teoretických znalostí prostřednictvím laboratorních měření, jejichž součástí je protokol, který obsahuje výpočty hodnot z naměřených dat a určení chyb či nejistot měření. Tyto protokoly poté vyhodnocuje vyučující. Jestliže ten musí zkontrolovat u jednoho předmětu deset protokolů šedesáti studentů, jedná se o šest set protokolů. Pokud pak důkladná kontrola každého protokolu trvá průměrně deset minut, tráví vyučující přibližně sto hodin pouze prověřováním a vyhodnocením. Má bakalářská práce proto předkládá návrh aplikace, která automaticky kontroluje hodnoty zjištěné při laboratorních měřeních. Cílem je tedy vytvoření aplikace elektronického protokolu, jenž přinese časovou úsporu pro hodnotitele laboratorních měření a to tím, že bude vytvořen přehledný formulář pro zapsání jeho výsledků, a dále bude vyhotoven program pro kontrolu a vyznačení chybných hodnot. Pomocí tohoto programu bude uživateli poskytnut rychlý přehled o správnosti uvedených dat. K tvorbě aplikace je využit grafický programovací jazyk, tzv. G-jazyk, v prostředí LabVIEW. Součástí mé práce je stručný přehled a popis tohoto prostředí. Jsou zde uvedeny pouze základní objekty, taktéž datové typy a struktury použité při tvorbě aplikace, které byly nastudovány při programování v tomto programovacím jazyce a prostředí. Podrobnější popis a přehled není zcela vyčerpávající, protože tento není hlavní naplní práce a výrazně převyšuje její kapacitu. Prostředky popisu tvorby a funkcí aplikace a tvorby kódu pro příslušné laboratorní měření jsou voleny individuálně, aby jejich popis byl kompletní, přehledný a vyčerpávající v rámci náplně a rozsahu práce. V poslední kapitole mé práce jsou pak uvedeny informace o vývoji a tvorbě aplikace, její testování z pohledu funkčnosti a spolehlivosti. V průběhu tvorby aplikace byly simulovány různé způsoby jejího využití, byla průběžně upravována a testována konečné testování a jeho výsledek jsou též obsahem této práce. 1

1 Tvorba aplikace v prostředí LabVIEW V rámci této bakalářské práce bude vytvořen elektronický protokol, jehož účelem je automatické vyhodnocování protokolů z laboratorních měření, které by mělo vést k usnadnění a snížení nároků na čas uživatele při jejich kontrole a vyhodnocení. Časová úspora spočívá v automatické kontrole referenčních dat s daty získanými simulací. K simulaci a k vytvoření uživatelského rozhraní je užito programovací a vývojové prostředí LabVIEW, které využívá grafického programovacího jazyka. K využití prostředí LabVIEW je přistoupeno z důvodu menší časového náročnosti při vytváření programů a nižší složitosti syntaxe oproti standardním programovacím jazykům, jako např.: C, C# atd.. K vytváření programů slouží grafické ikony a cesty, které nahrazují textové příkazy. V prostředí LabVIEW lze využívat standardních metodik pro vývoj softwaru, jejichž účelem je zvýšení efektivity. Metodika by měla umožnit vytvořit kód, který je čitelnější a lépe modifikovatelný. Výsledný program vyvíjený v prostředí LabVIEW se nazývá virtuálním instrumentem (dále VI). VI je základní jednotka vytvořené aplikace a obsahuje tyto složky: - interaktivní grafické rozhraní ke koncovému uživateli: čelní panel, - blokový diagram, který je zdrojovým kódem, - ikona: prezentuje VI a slouží při uplatnění modularity při programování, součástí ikony je konektor, který je rozdělen terminály, jež slouží jako přípojná místa pro vstupní a výstupní parametry [4, 11]. Prostředí LabVIEW se skládá ze dvou na sobě závislých částí, a to z čelního panelu sloužícího k uživatelskému rozhraní, na němž jsou zobrazeny prvky signalizující vstup a výstup dat a blokový diagram sloužící k vytváření kódu [4]. K vytvoření čelního panelu lze využít různé prvky, které spadají do skupiny ovládacích, indikačních, nebo dekoračních prvků. Ovládací prvky slouží jako vstupy a zdroje dat blokového diagramu a dále simulují skutečné ovládací části přístrojů, patří sem např. otočné knoflíky, posuvníky nebo tlačítka. Indikační prvky slouží jako výstupy z blokového diagramu a indikují hodnoty nebo stavy, dále mohou simulovat výstupní prvky přístrojů, např. LED indikátory, teploměry, ručičkové nebo digitální ukazatele. Dekorační prvky nemají žádnou závislost na blokovém diagramu, netvoří vstupy ani výstupy. Jejich smyslem je pouze zvýšení přehlednosti uživatelského rozhraní [10, 11]. Ke každému prvku, vyjma dekorační, je přiřazen datový typ. Mezi nejvíce užívané datové typy patří numerický (numeric), logický (boolean) a textový (string). Numerické datové typy představují čísla různých typů, např. čísla celá, reálná. Logický datový typ představuje data ve formě dvou stavů: pravda a nepravda. Textový prvek představuje data v podobě řetězce ASCII znaků [10, 11]. 2

V blokovém diagramu je zdrojový kód v grafické podobě. Objekty v blokovém diagramu jsou terminály prvků čelního panelu, funkce, konstanty, subvi, struktury a vodiče, které propojují objekty a přenáší mezi nimi data. Terminály slouží k přenosu vstupních nebo výstupních dat mezi blokovým diagramem a čelním panelem [4, 5, 9]. Uzly blokového diagramu jsou takové objekty, které mají vstupy i výstupy, případně pouze výstupy, a jsou vykonávány jen tehdy, pokud VI běží. Nejčastěji využívanými uzly jsou funkce nebo subvi. Funkce je základní výkonný element, nemá čelní panel ani blokový diagram, obsahuje pouze konektor [4, 5, 9]. Data jsou mezi objekty přenášena vodiči. Vodič vždy musí vést mezi zdrojem informace a jeho příjemcem, přičemž příjemců může být několik, ale zdroj informace musí být vždy pouze jeden. Tloušťka, druh čáry a barva vodiče jsou závislé na datovém typu. Nejběžnější druhy vodičů jsou uvedeny v tabulce 1 [10]. Tabulka 1: Nejběžnější druhy vodičů [10]. Správná volba datového typu vede ke snížení nároků na paměť a zvýšení rychlosti průběhu programu. V příloze 1 je přehled těchto typů a jejich vlastností. Datový typ Boolean může nabývat pouze dvou hodnot: pravda (1) a nepravda (0) [10]. Tok dat Průběh programu není, na rozdíl od textově orientovaných jazyků, řízen lineárním vykonáváním řádků programu, tzv. řízeným tokem. V prostředí LabVIEW se využívá datového toku. Program tedy pracuje podle principu toku dat (data flow) to znamená, že je vždy proveden uzel blokového diagramu, který má k dispozici na všech vstupech platná data a po zpracování je odešle ke všem svým výstupům. V podstatě nezáleží na tom, kde se jednotlivé objekty v blokovém diagramu nachází, pokud jejich pozice nebudou mít vliv na datové vazby [4, 9,11]. Pokud je k dispozici několik uzlů u nichž jsou na všech vstupech data, jsou tyto uzly vykonány paralelně. Multitasking je základní schopností prostředí LabVIEW a jednotlivé uzly mohou být při multitaskingu prováděny v různém pořadí při opakovaném spuštění [4, 9, 11]. 3

Prostředí LabVIEW se vyznačuje vysokou mírou modularity, která je jeho přirozenou vlastností. Různá VI je možné použít v blokovém diagramu jiného VI, a tím vzniká hierarchie VI. Modularita umožňuje odladění aplikace, usnadňuje provádění změn, zvyšuje čitelnost a možnost dalšího využití VI. VI uvnitř jiného VI se nazývá subvi [4, 9, 11]. Modularita je míra, s jakou je VI rozděleno do diskrétních komponent - subvi. 1 SubVI se obvykle využívá, jestliže se v programu používá opakující se operace. Nahrazení části blokového diagramu samostatným subvi je vhodnější s rostoucím množstvím opakování příslušné části diagramu. Dalším důvodem k nahrazení operace je funkční ucelenost, uzavřenost s minimem vstupů a výstupů. Důvodem k nahrazení operace může být opětovné použití kódu v dalších VI [4, 9, 11]. K propojení subvi se zbytkem blokového diagramu slouží konektor. Konektor je skupinou terminálů, z nichž každý jednotlivý terminál konektoru odpovídá jednomu vybranému prvku čelního panelu. Konektor je obdobou parametrů při volání funkce u textově orientovaných jazyků. Vstupní terminály jsou přiřazeny k ovládacím prvkům na čelním panelu a výstupní jsou přiřazeny k indikačním prvkům a předávají data ze subvi [10, 11]. V prostředí LabVIEW je mnoho funkcí polymorfních. Polymorfizmus je schopnost funkce nebo terminálů pracovat s různými datovými typy. Mimo jiné je funkce schopna zároveň pracovat s různými datovými typy na vstupu [10, 11]. Polymorfizmus je schopnost funkcí a prvků akceptovat různé datové typy a pracovat s nimi. 2 Programové struktury Programové struktury jsou prvky, které lze srovnat s cykly a příkazy k větvení u textově orientovaných jazyků. Struktury se využívají k opakovanému provádění částí kódu nebo k podmíněnému vykonání kódu. Struktura vymezuje část blokového diagramu, která je vykonávána podle příslušné struktury. Ta část v blokovém diagramu, která je vymezena příslušnou strukturou, se nazývá subdiagram. I zde se využívá toku dat, přičemž se struktura spustí v momentě, v němž jsou k dispozici všechny vstupy. Přenos dat mezi blokovým diagramem a strukturou se realizuje přes datový tunel. Na výstupním tunelu je k dispozici poslední hodnota po provedení posledního rámce nebo cyklu struktury [4, 5]. 1 WITTASSEK T. Virtuální instrumentace I. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU Ostrva, Fakulta elektrotechniky a informatiky. str. 163 2 Tamtéž str. 175 4

Smyčka WHILE Smyčka WHILE (dokud) je obdobou smyčky Do nebo Repeat-Until v textově orientovaných jazycích. Program se provádí, dokud není splněna podmínka struktury. Na podmínkový terminál je přivedena příslušná logická hodnota. Podmínkový terminál může tedy pracovat ve dvou módech: Stop if True (stop cyklu, jestliže je přivedena hodnota TRUE), nebo Continue if True (stop cyklu, jestliže je přivedena hodnota FALSE). Na obrázku 1 je zobrazena smyčka WHILE [4, 5]. Obrázek 1: Smyčka WHILE [10]. Smyčka WHILE musí proběhnout aspoň jednou, což je dáno nutností vyhodnotit podmínku běhu smyčky, a to vždy na konci iterace. Součástí struktury je iterační terminál indikující počet dokončených cyklů. Hodnota iterace začíná vždy na hodnotě 0. Výstupní hodnota závisí na nastavení těchto výstupních tunelů: Last Value: výstupem je hodnota poslední iterace smyčky, Indenxing: výstup je pole, ke kterému je vždy přidán nový prvek při každém opakování, Concatenating: připojí všechny vstupy v pořadí, které tvoří výstupní pole o stejném rozměru jako vstupní, funguje stejně jako funkce Build Array [10]. Smyčka FOR Smyčka FOR slouží k vytvoření opakujícího se algoritmu, jestliže je předem znám počet opakování. Smyčka FOR se vykoná Nkrát, číslování cyklů začíná od 0 až do hodnoty N-1. Hodnota čísla N je ve formátu I32, jestliže je tato hodnota rovna 0, pak se kód ve smyčce neprovede ani jednou [10]. 5

Obrázek 2: Smyčka FOR [10]. Smyčka FOR má volitelnou vlastnost, kterou je použití podmínkového terminálu. Zvolením této vlastnosti dojde ke vzniku smyčky, která je kombinací smyčky FOR a WHILE [10]. Obrázek 3: Smyčka FOR s podmínkou [10]. Vstupní terminál N určuje maximální počet průběhů smyčky. Počet průběhů může být nižší v závislosti na podmínce. Minimální počet průběhů je 0, jestliže se kód neprovede ani jednou. Ukončení smyčky má dvě formy, které jsou shodné jako u smyčky WHILE: Stop if True nebo Continue if True [10]. Datová konverze K datové konverzi dochází v momentě, kdy dojde k připojení jiného datového typu k funkci, poté je uplatněn takový datový typ, který má vyšší počet bitů. Pokud je potřebný počet bitů u datového typu před a po konverzi shodný, pak je uplatněn neznaménkový datový typ před znaménkovým. Místo datové konverze (implicitní přetypování) je označeno červeným bodem na terminálu funkce [5, 11]. 6

Datová konverze se uplatňuje u N terminálu smyčky FOR opačně. Datový typ DBL je změněn na I32, protože počet průběhů kódu ve smyčce může být roven pouze celému číslu [5, 11]. Přesun dat mezi iteracemi Přesun dat se využívá v momentě, kdy je potřeba použít data z předchozích iterací. K tomu slouží buď posuvný registr, nebo zpětnovazební uzel. Posuvný registr se skládá ze dvou terminálů, které jsou umístěny naproti sobě na svislých částech smyčky. Pravý terminál slouží k zápisu hodnoty po dokončení programu ve smyčce, následně je hodnota přesunuta do levého terminálu a je k dispozici pro další iteraci [5, 9, 11]. Posuvný registr může být inicializován zapsáním počáteční hodnoty. Neinicializovaný registr se používá v momentě, kdy je potřeba zachovat hodnotu z předchozích spuštění programu. Poté je inicializační hodnota rovna poslední hodnotě při spuštění. Při prvním spuštění je rovna 0. Složený posuvný registr se využívá při potřebě získat několik předchozích hodnot z minulých iterací. Je možné ho využít pouze na levé straně smyčky, pravý terminál pouze přenáší hodnotu iterace. Pořadí a počet terminálů na levé straně udává, kolik hodnot ve zpětném pořadí od poslední hodnoty bude uloženo [5, 9, 11]. Zpětnovazební uzel se využívá k uložení dat v rámci jedné iterace smyčky [5]. Struktura CASE Struktura CASE slouží k větvení programu na základě vstupního parametru (selektoru). Tato struktura obsahuje dva nebo více subdiagramů. Volba subdiagramu je provedena na základě vstupního parametru, tzv. selektoru. K selektoru lze připojit různé datové typy jako: boolean, integer, string nebo enumerator. Pokud je na selektor přiveden datový typ boolean, obsahuje struktura CASE dvě okna, jestliže je přiveden jiný datový typ, může obsahovat relativně neomezené množství oken. Kromě datového typu boolean je specifikováno také okno Default, které je prováděno v případě, že je na selektor přivedena hodnota, která není určena žádným jiným oknem [4, 9]. K výběru okna lze využít seznamu. Pro numerické hodnoty ho lze definovat jako uzavřený interval: a.. b, za podmínky a < b, nebo otevřený interval:..a (hodnoty rovny nebo menší než a) nebo a.. (hodnoty rovny nebo větší než a). U datového typu string lze také využít intervalu, zde však je oproti numerické hodnotě změna, která spočívá v tom, že součástí intervalu není pravá krajní hodnota. Úprava pro zahrnutí hodnoty do intervalu musí být zapsána tímto způsobem: a..c,c [4, 9]. Sekvence 7

Sekvence slouží jako soubor jednoho a více subdiagramů v jednom nebo více oknech, která se vykonávají v pořadí oken. V LabVIEW se program vykonává podle toku dat a sekvence slouží k definici pořadí vykonávání uzlů, jestliže mezi nimi neexistuje datová závislost [9, 10]. Jsou dvě formy sekvence a to: stocked sequence (vrstvená), nebo flat sequence (plochá). U flat sequence jsou zobrazeny všechna okna sekvence najednou a vykonávají se postupně zleva doprava. Není zde potřeba lokálních terminálů sekvence, na rozdíl od vrstvené sekvence u které je vždy vidět pouze jedno okno. V horní části je zobrazen identifikátor aktuálního okna, dále je zobrazena informace o počtu oken. Výstup dat u vrstvené sekvence je k dispozici po dokončení posledního okna sekvence [9, 10]. Datové struktury Mezi datové struktury patří pole nebo cluster. Rozdíl mezi polem a clusterem je ten, že pole musí být množina prvků stejného datového typu, naopak cluster může být množina prvků různého datového typu [9, 10]. Pole Pole se skládá z množiny elementů nebo prvků o maximálním rozměru dimenze 2 31-1. Prvky jsou data určitého datového typu, která jsou upořádána na základě velikosti indexů. Počet indexů určuje dimenzi pole. Celková velikost pole je omezena velikostí dostupné paměti. LabVIEW automaticky mění velikost pole, a tedy i příslušnou paměť vyhrazenou poli, podle potřeby, a není tedy možné přepsat hodnoty, mimo paměť přiřazenou poli, a zapříčinit tak chybnost programu [9, 10]. Jedno pole nemůže obsahovat více datových typů. Dále nelze vytvořit pole polí, stejně tak nelze vytvořit pole z prvků čelního panelu, či z prvků:.net, Active X, grafů typu multiplot XY, nebo grafů typu chart [9, 10]. Cluster Cluster seskupuje prvky různých datových typů do jednoho objektu. Seskupením několika prvků různých datových typů se eliminuje počet vodičů a terminálů na konektoru subvi. Cluster nemůže být kombinací vstupů a výstupů [10]. 8

2 Aplikace elektronického protokolu Definování účelu aplikace bez rozlišení konkrétního laboratorního měření lze obecně shrnout do několika bodů. Automatická kontrola protokolů s minimální účastí uživatele, který má k dispozici referenční hodnoty protokolu a hodnoty ze simulace z jednotlivých úloh laboratorního měření s indikací rovnosti ve formě barevného rozlišení. Dalším výstupem pro uživatele je ukazatel správnosti jednotlivých úloh protokolu včetně celkové správnosti. Dalším požadavkem je možnost úpravy šířky intervalu, v němž dojde k pozitivnímu porovnání. Z druhého pohledu aplikace nesmí přenášet nepřiměřené nároky na studenta. V rámci konkrétního měření a k němu odpovídajícímu elektronickému protokolu jsou studentovi poskytnuty dva soubory, v prvním souboru (textový Word) je zadání měření, které může sloužit pro možnost tisku, zároveň je první soubor propojen s druhým souborem (tabulkový Excel), který slouží ke kontrole výsledků pomocí aplikace, odlišení špatných hodnot a k vyhodnocení protokolu. Hodnoty k porovnání jsou získány simulací v příslušných VI souborech a jsou porovnány s hodnotami získanými z Excelu studenta. K dosažení pozitivního výsledku hodnocení dochází, jestliže se hodnota z protokolu nachází v intervalu, jehož střed je dán vypočtenou hodnotou, a meze intervalu jsou stanoveny na základě tolerance, kterou udává osoba vyhodnocující protokol. Aplikaci lze rozdělit na tři části: uživatelské rozhraní, laboratorní měření a společnou část pro všechna laboratorním měřením. Uživatelské rozhraní je zobrazeno na obrázku 4. File path kontrol, Cesta k Hodnocení studentů, slouží k načtení excelovského souboru, který obsahuje údaje o studentech: jméno, osobní číslo, číslo laboratorního měření, volné sloupce a součet bodů. File path kontrol, Cesta k protokolu, slouží k načtení excelovského souboru, který slouží jako formulář pro zpracování dat z měření. Účel clusteru v uživatelském rozhraní spočívá ve schopnosti změnit data odevzdání, aniž by byla potřeba provést změnu v Hodnocení studentů. Pokud student odevzdal protokol včas, je to zobrazeno v indikátoru. V indikátoru se mohou zobrazit tři stavy: včas, pozdě a špatně zadané datum odevzdání. Poslední stav se zobrazí, jestliže uživatel v clusteru zadá do terminálu den hodnotu mimo rozsah 1 až 31 (popřípadě 28, 29 nebo 30 v závislosti na měsíci), nebo zadá do terminálu měsíc hodnotu mimo rozsah 1 až 12. Ovládací páčka Uložení výsledků umožní uložit výsledek kontroly do jiného souboru xls. Původní název souboru se změní z login_číslo protokolu.xls na login_číslo protokolu_k.xls. Ovládací páčka je pokaždé před zahájením nové kontroly nastavena do polohy vypnuto. Ovládací prvek tlačítko Pokračovat ukončuje cyklus WHILE, který je spuštěn před vyhodnocením protokolu, dále umožňuje zadat toleranční pole. V cyklu je funkce wait, 9

která je nastavena na dobu jedné sekundy, aby byl omezen počet provedených cyklů. Nastavení jedné sekundy je kompromisem mezi snížením počtů cyklů a dobou odezvy. Tlačítko Konec slouží k ukončení kontroly a umožňuje zadání cesty k dalšímu protokolu. Indikátory table Výsledná tabulka a Tabulka studentů zobrazují výsledky programu. Table Výsledná tabulka zobrazuje výsledky kontroly protokolu. V levé části se nacházejí referenční data a v pravé data simulace. Toto zobrazení slouží uživateli k porovnání jednotlivých hodnot. Table Tabulka studentů slouží k zobrazení jmen studentů, kteří vypracovali příslušný protokol, a uvádí jejich dosavadní výsledky. Obrázek 4: Uživatelské rozhraní. Propojení příslušného laboratorního měření z částí VI, která je společná pro všechny protokoly a zjišťuje číslo protokolu, jež odpovídá číslu selektoru struktury CASE. Struktura CASE obsahuje všechny protokoly. Jestliže selektor neodpovídá číslu měření, je zobrazena výstraha Neznámý protokol. Jednotlivá laboratorní měření ze souboru jsou popsána níže. Pokud bylo možno, využívá se přirozené vlastnosti LabVIEW v podobě modularity. Kromě subvi, která obsahují úkoly z laboratorních měření, byla vytvořena subvi, která jsou společná pro všechny. Tato subvi jsou uvedena níže a dále na ně bude odkazováno při popisu jednotlivých laboratorních měření. Vývojový diagram hierarchicky nejvyššího VI lze rozdělit do dvou částí. První část, společná pro všechny laboratorní měření, zahrnuje zadání a načtení potřebných dat a otevření excelovského souboru určeného ke kontrole. Druhá část je struktura CASE, kam se ukládají 10

subvi pro vyhodnocení jednotlivých protokolů. Jako selektor se používá číslo protokolu. Vývojový diagram je zobrazen v příloze 1. Toleranční interval Přímé porovnávání příslušných hodnot z referenčních dat a z dat simulace není možné, jelikož shoda těchto hodnot by byla velice nepravděpodobná. Hodnoty správných dat by se k sobě sice blížily, ale neshodovaly by se. Nízkou pravděpodobnost shody způsobují různé příčiny: idealizace simulovaného obvodu, samotná nejistota měření, zaokrouhlování, jiný nejnižší řád výsledků apod. Hodnotu simulace je tedy potřeba rozšířit na soubor hodnot tak, aby se hodnoty shodovaly, jestliže jsou si dostatečně podobné. K pozitivní shodě hodnot dochází, jestliže se referenční hodnota H R nachází v intervalu, jehož střed H S je dán hodnotou simulace a meze intervalu jsou stanoveny na základě tolerance podle rovnice, kterou stanoví uživatel. H H 1 Tol S 100 (1) S, kde: H S je hodnota simulace, H S- je nejnižší hodnota intervalu, H S+ je nejvyšší hodnota intervalu, Tol je tolerance [%]. Tedy k pozitivnímu výsledku dochází, jestliže je splněna podmínka: H H ; H. R S- S K vyhodnocení shody hodnot bylo vytvořeno subvi Interval podle vývojového diagramu na obrázku 5 tak, aby splňoval výše uvedenou podmínku, která je graficky znázorněna v druhé části. 11

Obrázek 5: VI interval. Správnost Správnost vyjadřuje míru shody porovnávaných hodnot. Tato hodnota slouží k rychlému přehledu o přesnosti a správnosti referenčních dat. Jediným vstupem tohoto subvi je pole logických výstupů. Výstupem je správnost a počet porovnání. Na obrázku 6 je zobrazený vývojový diagram stanovení správnosti. 12

Obrázek 6: Vývojový diagram výpočtu správnosti. Vyznačení buňky Toto subvi barevně rozlišuje excelovské buňky v závislosti na tom, zda hodnota v dané buňce je správná (zelená barva) nebo chybná (červená barva). V podstatě prvek vstupního pole představuje buňku v Excelu a logická hodnota prvku v poli určuje barvu výplně této buňky. Vstupem tohoto subvi je pole logických výstupů a počáteční bod. SubVI je zobrazeno na obrázku 7. 13

Obrázek 7: SubVI vyznačení buňky. Po načtení vstupů je zjištěn rozměr pole, ze kterého se stanoví počet sloupců a řádků. Tyto hodnoty slouží k určení počtu iterací cyklů FOR a k určení souřadnic buněk v listu. Jednotlivé iterace cyklů oddělují příslušné logické prvky v poli a struktura CASE na základě hodnoty prvku rozhoduje, jakou barvou bude excelovská buňka vybarvena. Hodnocení studenta SubVI Vysledky_excel slouží k vyhledání studentů, kteří se podíleli na konkrétním protokolu, a ke kontrole včasného odevzdání. K vyhledávání studentů v hodnocení studentů se využívá jména a názvu skupiny, která vymezí oblast hledání. Za oblast hledání se považuje list v Excelu. V příloze 2 je zobrazený blokový diagram s komentáři. Po zadání cest k hodnocení studentů a protokolu, si VI načte potřebná data, se kterými bude dále pracovat. Postupně se prostřednictvím funkce Index Array Function oddělují jednotlivá data, podle aktuální potřeby. V momentě načtení data odevzdání se blokový diagram provádí paralelně. V první větvi se vyhodnocuje, zda je protokol odevzdán včas, a to porovnáním data ze souboru Hodnocení studentů s aktuálním datem, nebo s datem, které zadal uživatel. Tato větev se nachází ve spodní části diagramu ve struktuře CASE. Program v druhé větvi vyhledává studenty, jejichž jména se načtou z odevzdaného protokolu, v hodnocení studentů. Hlavička protokolu umožňuje maximálně třem studentům odevzdat jeden protokol, proto se vyhledávají právě tři studenti. Než se však začnou jednotliví studenti hledat, dojde k zjištění, zda je zadáno jméno, nebo prázdná buňka. Jméno se vyhledává v příslušném listu v souboru Hodnocení studentů prostřednictvím cyklu WHILE, který skončí v momentě, když se načtená buňka rovná "Datum odevzdání". List je určen na základě načtené 14

hodnoty skupiny měření. Během iterací se porovnává buňka se všemi třemi jmény, pokud je kladný výsledek u některého ze tří porovnání, pak dojde k uložení pozice. Jestliže dojde k tomu, že jméno není nalezeno, je o tom uživatel vyrozuměn. Po zjištění pozice studenta v Hodnocení studentů načte aplikace dosavadní výsledky příslušného studenta a vypíše je v Table vyber studentu. Jestliže student není nalezen, objeví se místo jména studenta "Nenalezeno". Poskytnutí těchto informací uživateli slouží k umožnění vytvořit si přehled o dosavadních výsledcích studenta. Read_excel Tato subvi jsou modifikována subvi, která jsou publikována jako vzorové příklady na oficiálních stránkách National instruments v článku How Can I Read Excel Data Into LabVIEW?. Popis těchto subvi je v příloze 3. 2.1 Laboratorní úloha Měření napětí a proudu Toto měření slouží k ukázce míry ovlivnění měřeného obvodu v závislosti na druhu a parametrech měřícího přístroje. Mimo ovlivnění samotného obvodu měřícím přístrojem jsou studenti seznámeni s parametry přístrojů a vlivy, které ovlivňují přesnost měření. Kompletní zadání protokolu včetně protokolu výsledků měření, naleznete v příloze 4. Laboratorní měření se skládá ze čtyř částí, které budou dále jednotlivě rozvedeny a popsány. Každá část laboratorního měření má svoje VI, které simuluje měření a příslušné výpočty a na základě toho vyhodnocuje správnost referenčních dat. U každého subvi je jedním z výstupů pole logických hodnot, které vyjadřuje porovnání referenčních dat s daty ze simulace. Každý prvek vyjadřuje příslušné srovnání. Jestliže se referenční hodnota vejde do intervalu hodnoty ze simulace, přísluší prvku logická jednička. Měření odporového děliče analogovým voltmetrem V první části laboratorního měření je úkolem změřit napětí na odbočkách odporového děliče analogovým voltmetrem a stanovit chybu měření. Velký důraz je kladen na přesnost analogického měřícího přístroje a na chybu, která ovlivňuje výsledek měření. Kontrola tohoto měření se provádí v subvi uloha 1_1, jehož součástí je simulace a porovnání referenčních dat s daty simulace. Obrázek 8 vývojového diagram subvi uloha 1_1 pro první úlohu laboratorního měření Měření napětí a proudu je rozdělen na dvě části. V levé polovině popisuje diagram subvi jako 15

celek, pravá část je zaměřena na simulaci obvodu. Simulace je provedena na základě rovnic pro jednotlivé odporové odbočky. Rovnice jsou v LabVIEW zadány ve Formula Node, která je součástí cyklu FOR. Výstupem je pole logických hodnot a správnost porovnání. Obrázek 8: Vývojový diagram subvi uloha 1_1. Simulace je provedena pro jednotlivé hodnoty napětí na odbočkách v děliči, jestliže jednotlivé odbočky jsou i nejsou zatíženy odporem analogového voltmetru. Rovnice pro výpočet napětí U N pro jednotlivé odbočky nezatížené odporem analogového voltmetru: Ri U Ni U0 5 (2) R i 1 i kde: U 0 je napětí zdroje, i je pořadové číslo odporu v odporovém děliči, R i je příslušný odpor v odporovém děliči. Při měření jednotlivých odboček analogovým voltmetrem s vnitřním odporem R V dochází k ovlivnění výsledného odporu příslušné odbočky, přičemž je vnitřní odpor připojen paralelně. Výsledný odpor R P má hodnotu: 16

R Pi R R V V j i 1 j i 1 R i R i, (3) kde: R V je odpor měřícího přístroje, j je pořadové číslo měřené odbočky odporového děliče. Rovnice pro výpočet napětí U Z pro jednotlivé odbočky zatížené odporem analogového voltmetru [3, 7, 8]: U Zi kde: R R R Pi U 0 (4) Z Pi R Z je součet zbývajících nezatížených odporů. Součástí laboratorního měření je vyhodnocení chyby měření a přístroje. Absolutní chyba měření je rozdíl mezi konvečně pravou U N a indikovanou hodnotou přístroje U Z, při měření je vypočtena podle rovnice: U U (5) mi Zi Ni a relativní chyba měření vztažená ke správné hodnotě napětí: mi Pi 100. (6) U Ni Rovnice popisující absolutní chybu přístroje [3, 7, 8]: Pi TP X 100 R, (7) kde: X R je rozsah měření, δ TP je třída přesnosti analogového měřícího přístroje. Relativní chyba přístroje je vypočtena podle rovnice: X P R Pi 100 TP. (8) U Zi U Zi Měření odporového děliče digitálním voltmetrem 17

Druhým úkolem laboratorního měření Měření napětí a proudu se shoduje s prvním, ale odporový dělič se měří digitálním voltmetrem. Od rozdílného přístroje se odvíjí rozdílný způsob výpočtu chyb přístroje. Vývojový diagram se obecně shoduje s diagramem pro měření analogovým voltmetrem. Dále je i analogický výpočet napětí pro jednotlivé odbočky podle rovnic 2 až 4, a to jak pro odpor zatížený i nezatížený odporem přístroje. Chyba digitálního přístroje se oproti analogovému vyjadřuje jako součet dvou relativních chyb, které vyjadřují chybu z měřené hodnoty (první) a chybu vztaženou k nejvyšší hodnotě rozsahu přístroje. Absolutní chyba z měřené hodnoty je: 1Ui 1 U 100 Zi, (9) kde: δ 1 je relativní chyba z měřené hodnoty. K výpočtu absolutní chyby z rozsahu je potřeba určit relativní chybu z posledního indikovaného místa, použije se k tomu vztah: dgt 100 (10) 2 X R max a absolutní chyba vztažená k měřenému rozsahu X R je poté dána vztahem: 2U kde: 2 X 100 R δ 2 je relativní chyba z rozsahu. (11) Celková absolutní chyba je dána součtem dvou předchozích: Ui U X 1 Zi 2 R 100. (12) a vztah pro celkovou relativní chybu je definován: U Ui 100 U nebo X R Ui 1 2. [1, 2, 3, 7, 8] (13) Zi U Zi Stanovení nejistot měření Třetí úlohou měření je stanovení nejistoty měření číslicovým multimetrem. Nejistota je oproti chybě vývojově mladší a terminologicky byla definována v normě ČSN EN 60359 18

Elektrická a elektronická měřící zařízení Vyjadřování vlastností. Nejistota měření představuje směrodatnou odchylku od střední hodnoty souboru naměřených hodnot. Jestliže se jedná o přímé a jednoduché programování subvi není dělán vývojový diagram, ale je zobrazen pouze příslušný blokový diagram. Rovnice pro výpočet nejistot jsou uvedeny níže. Obrázek 9: Část VI výpočtu nejistot. Nejistota kvantifikuje nepřesnost měření a dělí se do dvou kategorií podle zdroje nepřesnosti. K vyjádření standardní nejistoty A se využívá statistických nástrojů. Zdroje nejistoty jsou neznámé a opakovaným měřením hodnota nejistoty klesá. Při měření úlohy se provádí pouze jediné měření, a proto nelze nejistotu u A vyjádřit, ale pouze odhadnout [1, 7, 8]. Standardní nejistota kategorie B zahrnuje neodstranitelné systematické chyby, nepřesnosti, třídu přesnosti, vliv prostředí atd. Tato nejistota nelze zmírnit opakovaným měřením. Při určování nejistoty se také využívají statistické nástroje, především směrodatná odchylka. Velikost odchylky závisí na typu rozdělení. Je obvyklé používat rovnoměrné rozdělení, u něhož má směrodatná odchylka tvar: x u B, (14) 3 kde: x je interval, v němž leží všechny hodnoty měřené veličiny. Kombinovaná standardní nejistota: u C u u. (15) 2 A 2 B Rozšířená nejistota slouží k zvýšení pravděpodobnosti, že se skutečná hodnota měřené veličiny nachází v intervalu x. Bez rozšíření je pravděpodobnost výskytu hodnoty v intervalu u normálního rozdělení 68% a u rovnoměrného 58%. Ke zvětšení intervalu dochází prostřednictvím koeficientu rozšíření k: 19

U k. (16) u c Pro normální rozdělení a spolehlivost 95% je k = 2 a pro rovnoměrné rozdělení při stejné pravděpodobnosti je k = 1,65 [1, 2, 3, 7, 8]. Ověření třídy přesnosti Závěrečným úkolem je ověření třídy přesnosti analogového voltmetru. Ověření se provede pomocí přesnějšího digitálního voltmetru, který je stejně jako analogový paralelně připojený ke zdroji napětí. Na obrázku 10 je zobrazený vývojový diagram, který popisuje činnost subvi uloha 1_4. Obrázek 10: Vývojový diagram uloha 1_4. V rámci měření se měří analogovým a digitálním voltmetrem několik hodnot napětí rovnoměrně rozprostřených v rozmezí od 0 do 30 V. Při porovnání těchto hodnot se získává absolutní chyba, negací absolutní chyby je získána korekce. Absolutní chyba se vypočítá podle rovnice: u u u (17) i Ai Di kde: u Ai je i. napětí změřené analogovým voltmetrem, u Di je i. napětí změřené digitálním voltmetrem. 20

Korekce udává, na kolik je potřeba korigovat měřenou hodnotu, aby se získala hodnota konvečně pravá. Korekce se vypočítá vynásobením absolutní hodnoty mínus jedničkou. K u u u [1, 8]. (18) Ai Di i Třída přesnosti se stanovuje na základě nejvyšší absolutní chyby, ze které se vypočte relativní chyba podle vzorce: MAX 100 (19) X R Tato hodnota se následně přiřadí k bližší vyšší třídě přesnosti, které podle normy existují: 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 3; 5 [8]. 2. 2 Laboratorní měření Měření pasivních veličin Druhým laboratorním měřením, pro které je vytvořen elektronický protokol, je Měření pasivních veličin. V tomto měření studenti měří pasivní veličiny prostřednictvím výchylkové metody, za použití LCRmetrů a prostřednictvím Ohmovy metody. Kromě měření pasivních veličin je součástí protokolu výpočet chyb měření. Elektronický protokol je zaměřený na kontrolu všech údajů, které jsou výpočetně závislé na měřených hodnotách. Zadání laboratorního měření včetně vzorového protokolu obsahuje příloha 6. Toto měření se skládá ze 3 úloh. Každá úloha má svoje vlastní VI. V první úloze měření je úkolem změřit parametry cívky několika metodami, a následně je srovnat z pohledu chyb měření. První úloha se ještě dělí na čtyři podbody, které v sobě zahrnují čtyři metody měření indukčnosti. Od tohoto dělení se také bude odvíjet blokový diagram simulace. U první výchylkové metody jsou známy vstupy v podobě proudu, napětí a činného odporu pokud je ovšem odpor znám, v opačném případě se považuje za nulový. Dalším vstupem dat jsou tabulky z protokolu 2, a to konkrétně Tabulka 1: Parametry analogového voltmetru a Tabulka 2: Parametry analogového ampérmetru (viz příloha 6). Simulace je provedena na základě rovnic pro výpočet indukčnosti z impedance obvodu [3]: L kde: 2 R Z 2 f 2 R je odpor, který je buď znám nebo se považuje za nulový, Z je impedance cívky. (20) 21

Při výpočtu chyby je potřeba zahrnout chybu metody, která spočívá v proudu tekoucím přes voltmetr [3]: U Iv (21) R V kde: R V je vnitřní odpor voltmetru. Impedance cívky se vypočítá podle vzorce 20 a hodnota je následně dosazena do vzorce pro indukčnost: Z U. (22) I I V Po výpočtu hodnoty indukčnosti cívky, je potřeba stanovit chybu měření. Jedná se o nepřímé měření, a proto je výsledná relativní chyba součtem relativních chyb na měřících přístrojích použitých k měření veličin. Potřebnými veličina jsou napětí a proud. Ke stanovení relativní chyby měřené veličiny se využije rovnice [8]: X R X TP (23) X M Celková chyba se následně vypočítá součtem všech relativních chyb účastnících se na výpočtu hledané veličiny. n, (24) Cel i 1 i kde: n je počet měřících přístrojů, kterými se měřily veličiny potřebné k výpočtu nepřímé veličiny, δ i je relativní chyba pro i. měřící přístroj. V tomto měření je měřeno napětí a proud, proto je celková relativní chyba součtem relativní chyby analogového voltmetru a ampérmetru: L (25) L Cel Na obrázku 11 je vybrána část blokového diagramu, který slouží ke kontrole vypočtených hodnot z měření cívky pomocí analogového ampérmetru a voltmetru. Ve formula node jsou zpracovány výše uvedené rovnice. Pomocí index array function jsou z načtených dat 22

excelovského souboru vytažené potřebné vstupy pro výpočet. Z hodnot na výstupu je potom vytvořeno pole prvků odpovídající tabulce 3 v protokolu 2. Obrázek 11: Část VI zobrazující výpočet hodnot výchylkové metody. V druhém bodě první úlohy se jedná o analogické měření jako v prvním. S tím rozdílem, že je doplněno o wattmetr, jehož prostřednictvím se změří činný výkon. Z činného výkonu se pak určí odpor pomocí vztahu: PW R (26) 2 I Kde: P W je činný výkon. Výpočet chyby měření je shodný, pouze se k celkové relativní chybě přičte relativní chyba pro analogový wattmetr. 23

Obrázek 12: Část VI zobrazující výpočet hodnot výchylkové metody doplněné o wattmetr. Na obrázku 12 je zobrazena část blokového diagramu, jehož funkce je výpočet indukčnosti a jeho chyby. Vstupní hodnoty pocházejí z tabulky 1, tabulky 2 a tabulky: Parametry wattmetru z protokolu 2. Horní build array slouží k spojení hodnot do jednoho pole pro uložení dat do tabulky 6 z protokolu 2 a dolní build array pro tabulku 5 z protokolu 2. Třetí metodou je rezonanční metoda, při které se využívá Thomsonova vztahu pro rezonanční kmitočet, ze kterého se následně vyjádří indukčnost: 1 1 0 L, (27) 2 LC C 0 kde: C je kapacita, ω 0 je rezonanční kmitočet. Princip rezonanční metody spočívá v nalezení rezonančního kmitočtu při známé kapacitě kondenzátoru, který je k cívce zapojený paralelně. K nalezení rezonančního kmitočtu se využívá toho, že při rezonanci obvodem protéká minimální proud [3, 6]. 24

Obrázek 13: Část VI zobrazující výpočet hodnot při rezonanční metodě. Jako vstupy pro výpočet hodnot slouží první polovina tabulky 8 z protokolu 2 a po vykonání programu jsou následně zapsány do druhé poloviny. Funkce build array slouží k vytvoření pole hodnot pro možnost zobrazení a porovnání celé tabulky při vykonávání programu. Poslední metodou je použití LCRmetru, při kterém se přímo měří indukčnost a činitel kvality. Prostřednictvím těchto dvou hodnot a parametrů LCRmetru se dopočítá činná složka impedance, a dále se vypočítá chyba přístroje. V tabulce 9 protokolu 2 jsou uvedeny parametry LCRmetru, které slouží pro výpočet chyby přístroje. První polovina tabulky 10 slouží k zaznamenání a získání hodnot z měření potřebných pro výpočet. Činný odpor se pomocí činitele jakosti vypočítá ze vztahu: 2 f R Q L (28) kde: f je frekvence Q je činitel kvality. Jelikož se jedná o přímé měření, stanoví se chyba přímo z CLRmetru, relativní chyba z rozsahu je: dgt 100 (29) 2 X R max a absolutní chyba se vypočítá: L L X 100 1 2 R. (30) 25

a vztah pro celkovou relativní chybu je definován: L L 100 L nebo X R L 1 2 [1, 3, 8]. (31) U L Obrázek 14: Část VI zobrazující výpočet hodnot při měření LCRmetrem. Vstupní data pro výpočet indukčnosti a odporu jsou načtena z tabulky 10 z protokolu 2. Vstupní hodnoty pro výpočet chyby LCRmetru v závislosti na frekvenci pocházejí ze struktury CASE, kde se nachází funkce index array function. Selektor CASE je závislý na měřící frekvenci multimetru. Celý blokový diagram je zobrazený v příloze 7. Druhá úloha tohoto laboratorního měření je měření odporu digitálním multimetrem, stolním multimetrem s možností měření odporů dvou a čtyřvodičově (pokud je to nutné) a výpočtem z napětí a proudu (ohmovou metodou). Při měření multimetrem se jedná o přímé měření, takže kontrola spočívá v porovnání chyb měření pro digitální multimetr: Jelikož se jedná o přímé měření stanoví se chyba přímo z CLRmetru, relativní chyba z rozsahu je: dgt 100 (32) 2 X R max a absolutní chyba se vypočítá: R R X 100 1 2 R. (33) a vztah pro celkovou relativní chybu je definována: R R 100 R nebo X R R 1 2. (34) U R 26

Obrázek 15: Část blokového diagramu výpočet chyby digitálního multimetru. Jako vstup slouží tabulka 11 a 13 z protokolu 2, v tabulce 11 se nacházejí parametry měřícího přístroje a v tabulce 13 naměřené hodnoty odporů. Na obrázku 15 jsou vidět rovnice výpočtu ve formula node a výběr hodnot z načtených dat pro výpočet. Analogicky je postupováno u stanovení chyby pro stolní multimetr. Rozdíl je pouze ve vstupu parametrů měřícího přístroje, které pocházejí z tabulky 12 protokolu 2. Obrázek 16 zobrazuje právě tu část blokového diagramu, která vypočítává příslušné chyby. Obrázek 16: Část blokového diagramu výpočet chyby stolního multimetru. 27

Posledním bodem 2. úlohy měření je stanovení odporu Ohmovou metodou, při které se využívá Ohmova zákona. Odpor se dopočítává z měřeného napětí a proudu analogovými měřícími přístroji. Jedná se o nepřímé měření odporu, a z toho vyplývá výpočet chyby měření. Pro výpočet relativních chyb analogických přístrojů se použije rovnice 6, pro absolutní chybu měření se využije vztah: R. (35) R Cel Obrázek 17: Část blokového diagramu zobrazující výpočet chyby. Obrázek 17 zobrazuje výpočet relativní a absolutní chybu měřených odporů. Jako vstupní údaj slouží parametry voltmetru: tabulka 1 z protokolu 2; parametry ampérmetru: tabulka 2 z protokolu 2; a naměřené hodnoty napětí a proudu: tabulka 14 z protokolu 2. Poslední úlohou je měření kapacity kondenzátoru multimetrem a LCRmetrem a vyčíslení chyby měření. Jedná se o přímé měření digitálním měřícím přístrojem a výpočet chyb je analogií jako v předchozích případech. Příslušná část blokového diagramu VI je zobrazena na obrázku18. 28

Obrázek 18: Část vývojové diagramu zobrazující výpočet chyb při měření kapacity. Vstupními daty jsou parametry pro jednotlivé měřící přístroje, které jsou načteny z protokolu 2 pro RLCmetr z tabulky 14, z tabulky 13 pro multimetr a z tabulky 15 jsou načteny hodnoty změřené kapacity pro jednotlivá měření. Výstupem je absolutní a relativní chyba pro každé z měření. 29

3 Testování aplikace K otestování aplikace budou využita data z protokolů studentů, která budou přepsána do formulářů protokolů, jež by měly být k dispozici studentům zároveň se zadáním laboratorního měření. Testování laboratorního měření Měření proudu a napětí Obrázek 19 zobrazuje vyplněný excelovský protokol, který bude testován prostřednictvím aplikace. Hodnoty pocházejí z reálného měření. Pouze buňky, které jsou určeny k zapsání závěrů, nejsou vyplněny, neboť vyhodnocení těchto závěrů musí provést uživatel a jsou k účelu otestování aplikace nepodstatné. Obrázek 19: Vyplněný protokol Měření napětí a proudu. Obrázek 20 zobrazuje protokol s vyplněnými daty pocházejícími z protokolu studenta. Po spuštění aplikace dojde k otevření příslušného sešitu, po provedení kontroly správnosti hodnot v příslušných buňkách, jsou jednotlivé buňky barevně odlišeny podle toho, zda hodnota v dané buňce spadá do intervalu. První kontrola protokolu proběhla za nulové tolerance rozdílu oproti hodnotám v aplikaci. 30

Obrázek 20: Vyhodnocený protokol Měření napětí a proudu (tolerance 0 %). Obrázek 21 zobrazuje barevné rozlišení v případě, že jsou zvýšeny toleranční meze o 5 % z dané hodnoty. Jak je na první pohled vidět, rozdíl ve vyhodnocení je výrazný. Vyčíslením celkové správnosti při nulové toleranci získáme hodnotu 19,4 % a při 5 % je hodnota 84, 9 %. Tento rozdíl je dán tím, že srovnávané hodnoty se zcela neshodují, ale jsou si velice podobné. Obrázek 21: Vyhodnocený protokol Měření napětí a proudu (tolerance 5 %). Obrázek 22 zachycuje průběh uživatelského rozhraní aplikace při vyhodnocování. Vlevo na obrázku je uživatelské rozhraní před zadáním cest k příslušným souborům, jestliže cesty nejsou zadány, bude uživatel sám vyzván k jejich zadání po spuštění aplikace, ta následně 31

načte potřebná data k určení příslušného protokolu, který bude vyhodnocován. Do tabulky studentů budou vypsáni studenti, kteří protokol vypracovali. Na pravém obrázku je uživatelské rozhraní po spuštění a zadání cest. Po vyhodnocení druhu protokolu, čeká aplikace na povel k pokračování vyhodnocování. To slouží k možnosti zadání tolerance pro jednotlivé úlohy. Po stisknutí tlačítka "Pokračovat" dojde ke kontrole protokolu a k pozastavení aplikace do doby, než uživatel stiskne tlačítko "Konec kontroly". To umožňuje uživateli prohlédnout si vyhodnocený protokol, ohodnotit ho a uložit (popřípadě zadat další). Obrázek 22: Uživatelské rozhraní během vyhodnocení protokolu. Přepínač slouží k možnosti uložení vyhodnoceného protokolu. Pro uložení musí být přepínač přepnut dříve, než je zmáčknuto tlačítko pokračovat, jinak dojde k uložení až následujícího protokolu. Protokol je uložen na stejné místo z něhož pochází, pouze se změní název - k původnímu názvu se připojí "_K". Původní soubor zůstane beze změny. 32

Testování laboratorního měření Měření pasivních veličin Obrázek 23 zobrazuje dvakrát vyhodnocený protokol s různou hodnotou tolerance. V prvním případě (levý protokol) je nulová tolerance k rozdílu hodnot. U druhého protokolu (pravý protokol) je tolerance nastavena na 5 %. Obrázek 23: Vyhodnocené protokoly Měření pasivních veličin. Prázdné buňky jsou způsobené chybějícími hodnotami v protokolu studenta a snahou otestovat reakce aplikace v případě, že nebude mít zadané požadované referenční hodnoty, které by mohla porovnat se simulovanými. Posledním prováděným testem byla reakce aplikace na číslo protokolu, které nezná. V hlavičce protokolu bylo postupně měněno několik čísel a sledovala se reakce aplikace. Ve všech případech reagovala korektně. Jestliže číslo protokolu nesouhlasilo, zobrazilo se příslušné upozornění viz obrázek 24. 33

Obrázek 24: Zadání neznámého čísla protokolu. Hodnoty, které lze vidět za hláškou neznámého protokolu, jsou pozůstatkem předešlého testování. 34

Závěr Vytvořená aplikace plně splňuje požadavky, které byly stanoveny při jejím definování. Poskytuje rychlý a přehledný způsob kontroly hodnot. Uživatelská nenáročnost je zajištěna minimálními požadavky na uživatelské vstupy: zadání Hodnocení studentů, cesty ke kontrolovanému protokolu a stanovení šířky rozsahu shody hodnot. Aplikace je navržena tak, aby bylo možné přidávat další laboratorní měření, nebo je odebírat, aniž by bylo nutné zasahovat do aplikace. Aplikace v mé práci obsahuje dvě laboratorní měření, a to Měření proudu a napětí a Měření pasivních veličin, k těmto jsou vytvořeny vzorové formuláře. Této aplikace lze využít pouze u laboratorních měření, ve kterých dochází k výpočtům, s jejich rostoucím množstvím význam aplikace stoupá. Při tvorbě aplikace bylo nejvýznamnějším problémem načítání dat. První subvi, které načítalo data z protokolu, jej při každém načtení požadovaných dat otevřelo a zavřelo bez ohledu na to, jestli z něho budou dále čtena data. Neustálé otevírání a zavírání protokolu zbytečně kladlo nároky na výkon a čas, navíc to vedlo ke kolizním chybám, když se různá subvi snažila načítat data z protokolu. Tento problém byl vyřešen rozdělením subvi na tři části. První oddělené subvi otevírá excelovský sešit, druhé subvi pouze načítá data a třetí subvi sešit zavírá. Po použití prvního subvi na počátku programu se pak využívá pouze druhé. K zabránění kolizím bylo použito sekvence, díky níž dochází k načítání dat postupně. Nevýhodu aplikace spatřuji v závislosti její funkčnosti na pozici tabulek ve formuláři. Data jsou načítána z buněk, jejichž souřadnice jsou přímo zadány. Změnou pozice buněk, např. posunutím, dochází ke změně souřadnic potřebných buněk. Hrozba změny pozic tabulek je vyřešena uzamknutím všech buněk mimo těch, do kterých se zapisují hodnoty. Aplikace dosud nebyla testována za reálných podmínek. Veškeré testování probíhalo na poskytnutých studentských protokolech, jejichž údaje byly převedeny do formulářů. Výsledky těchto testů proběhly korektně. Při závěrečném testování aplikace reagovala podle požadavků a nevyskytly se žádné funkční chyby. Jednou z chyb objevených při testování je, že v uživatelském rozhraní zůstávají zobrazená data z předešlých protokolů a ovládací prvky šířky intervalu. Aplikaci je třeba zkoušet v reálných podmínkách, aby byl umožněn její další rozvoj a zajištěna její funkčnost. 35

Zdroje [1] BARTUŠEK, K. a kol. Měření v elektrotechnice. 2. vyd. Brno VUT Brno. 2010. 2012 s. ISBN 978-80-214-4160-6 [2] BEJČEK, L.; ČEJKA, M.; REZ, J. Měření v elektrotechnice. Skriptum. Brno: VUT Brno, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. [3] BIČOVSKÁ B. a kol. Elektrická měření. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky. 2006. 92 s. [4] BILÍK P. Předmět Virtuální instrumentace I. Přednášky z roku 2015, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky. [5] BITTER, R.; MOHIUDDIN, T.; NAWROCKI, M. LabVIEW: Advanced Programming Techniques. 2. vyd. USA: CRC Press. 2007. 499 s. ISBN 0-8493-3325-3. [6] How Can I Read Excel Data Into LabVIEW?. Nationals instruments. [online]. 6.6.2006 [cit. 2014-10-25]. Dostupné z: <http://www.ni.com/example/28409/en/> [7] KOVAL L. a kol.: Elektrická měření, návody do cvičením. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky. 2012. [8] KOVAL L. Předmět Elektrická měření. Přednášky z roku 2014, VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky. [9] VLACH, J.; HAVLÍČEK, J.; VLACH, M. Začínáme s LabVIEW. 1. vyd. Praha: BEN technická literatura. 2008. 247 s. ISBN 9788073002459. [10] WITTASSEK T. Virtuální instrumentace I. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU Ostrva, Fakulta elektrotechniky a informatiky. 2012. 297 s. [11] ŽÍDEK, J. Grafické programování ve vývojovém prostředí LabVIEW. Skriptum. Ostrava: VŠB-TU Ostrva, Fakulta elektrotechniky a informatiky. 2002. 212 s. 36

Seznam obrázků Obrázek 1: Smyčka WHILE [10]... 5 Obrázek 2: Smyčka FOR [10]... 6 Obrázek 3: Smyčka FOR s podmínkou [10]... 6 Obrázek 4: Uživatelské rozhraní.... 10 Obrázek 5: VI interval.... 12 Obrázek 6: Vývojový diagram výpočtu správnosti.... 13 Obrázek 7: SubVI vyznačení buňky.... 14 Obrázek 8: Vývojový diagram subvi uloha 1_1.... 16 Obrázek 9: Část VI výpočtu nejistot.... 19 Obrázek 10: Vývojový diagram uloha 1_4.... 20 Obrázek 11: Část VI zobrazující výpočet hodnot výchylkové metody.... 23 Obrázek 12: Část VI zobrazující výpočet hodnot výchylkové metody doplněné o wattmetr.... 24 Obrázek 13: Část VI zobrazující výpočet hodnot při rezonanční metodě.... 25 Obrázek 14: Část VI zobrazující výpočet hodnot při měření LCRmetrem.... 26 Obrázek 15: Část blokového diagramu výpočet chyby digitálního multimetru.... 27 Obrázek 16: Část blokového diagramu výpočet chyby stolního multimetru.... 27 Obrázek 17: Část blokového diagramu zobrazující výpočet chyby.... 28 Obrázek 18: Část vývojové diagramu zobrazující výpočet chyb při měření kapacity.... 29 Obrázek 19: Vyplněný protokol Měření napětí a proudu.... 30 Obrázek 20: Vyhodnocený protokol Měření napětí a proudu (tolerance 0 %).... 31 Obrázek 21: Vyhodnocený protokol Měření napětí a proudu (tolerance 5 %).... 31 Obrázek 22: Uživatelské rozhraní během vyhodnocení protokolu.... 32 Obrázek 23: Vyhodnocené protokoly Měření pasivních veličin.... 33 Obrázek 24: Zadání neznámého čísla protokolu.... 34 37

Seznam příloh Příloha 1: Přehled datových typů [10]. Příloha 2: Blokový diagram SubVI Student_hodnocení. Příloha 3: SubVI read_excel. Příloha 4: Zadání a protokol k odevzdání laboratorního měření Měření pasivních veličin. Příloha 5: Blokové diagramy prvního protokolu. Příloha 6: Zadání a protokol k odevzdání laboratorního měření Měření pasivních veličin Příloha 7: Blokové diagramy druhého protokolu. 38

Příloha 1: Přehled datových typů [10]. Datový typ Velikost [bit] EXT 128 DB L Des. číslic 15-33 64 15 Rozsah min. kladné č. 6,48 10-4966 max. kladné č. 1,19 10 4932 min. záporné č. -6,48 10-4968 max. záporné č. 1,19 10 4932 min. kladné č. 4,94 10-324 max. kladné č. 1,79 10 308 min. záporné č. -4,94 10-324 Popis extended-precision: datový typ s pohyblivou čárkou s rozšířenou přesností double-precision: datový typ s pohyblivou čárkou s dvojitou přesností max. záporné č. 1,79 10 308 SGL 32 6 min. kladné č. 1,4 10-45 max. záporné č. -3,4 10 38 max. kladné č. 3,4 10 38 single-precision: pohyblivou čárkou s min. záporné č. -1,4 10-43 jednoduchou přesností FXP 64 dle nastavení s pevnou čárkou I64 64 18 min. záporné č. -1 10 19 quad signed integer: celočíselný datový typ 63 max. kladné č. 1 10 19 bitů se znaménkem I32 32 9-2 31-1 až 2 31-1 I16 16 4-32 768 až 32 767 I8 8 2-128 až 127 U64 64 18 0 až 1 10 19 U32 32 9 0 až 4 294 967 295 U16 16 4 0 až 65 535 U8 8 2 0 až 255 CX T CD B 256 15-33 128 15 CSG 64 6 jako u EXT, pro Re a Im část jako u DBL, pro Re a Im část jako u SGL, pro Re a Im část long signed integer: celočíselný datový typ 31 bitů se znaménkem word signed integer: celočíselný datový typ 15 bitů se znaménkem byte signed integer: celočíselný datový typ 7 bitů se znaménkem quad unsigned integer: celočíselný datový typ 64 bitů bez znaménka long unsigned integer: celočíselný datový typ 32 bitů bez znaménka word unsigned integer: celočíselný datový typ 16 bitů bez znaménka byte unsigned integer: celočíselný datový typ 8 bitů bez znaménka complex extended-precision komplexní datový typ s rozšířenou přesností complex double-precision komplexní datový typ s dvoujtou přesností complex single-precision komplexní datový typ s jednoduchou přesností 1

Příloha 2: Blokový diagram SubVI Student_hodnocení. Obrázek 1: VI Hodnocení_studentu spodní - CASE True. 1

Obrázek 2: Spodní CASE VI hodnocení_studenta False. 2

Příloha 3: SubVI read_excel. Obrázek 1: Převzaté VI z oficiálních stránek National instruments. 1

Obrázek 2: První subvi z VI read_excel 1. až 3. bod. 2

Obrázek 3: Druhé subvi z VI read_excel 4. bod. Obrázek 4: Třetí subvi z VI read_excel 5. až 7. bod. 3

Příloha 4: Zadání a protokol k odevzdání laboratorního měření Měření pasivních veličin. VŠB-TU Ostrava Datum měření: Katedra elektrických měření Fakulta elektrotechniky a informatiky Jméno a příjmení 1. studenta: Datum odevzdání: Hodnocení: 1 Měření napětí a proudu Jméno a příjmení 2. studenta: Jméno a příjmení 3. studenta: Cíl měření: Poznat základní vlastnosti analogových a číslicových přístrojů pro měření napětí a proudu Porozumět jednotlivým typům chyb měření, jejich výpočtu a případné korekci Umět vyhodnotit nejistotu měření Umět ověřit třídu přesnosti analogových měřicích přístrojů, vyhotovit korekční křivku Zadání: 1. Na zadaném rozsahu (1,2 V 30 V) analogového voltmetru ML 20 změřte stejnosměrná napětí na všech odbočkách odporového děliče. Napětí připojené na měřený dělič přitom nastavte tak, aby výchylka analogového voltmetru byla maximální. Vyhodnoťte absolutní a relativní chyby metody, způsobené malým vnitřním odporem analogového voltmetru a absolutní i relativní chyby údajů voltmetru. Výsledky měření korigujte o zjištěné chyby metody (viz poznámka níže). Všechny potřebné údaje a výsledky měření zpracujte do přehledné tabulky. K libovolnému řádku tabulky (který je ovšem nutno vhodně označit) uveďte příklad výpočtu. 2. Odpojte analogový voltmetr a totéž měření proveďte pomocí 4 1 / 2 místného digitálního multimetru, a to pouze s tím rozdílem, že chybu metody způsobenou tímto přístrojem zanedbáte. Výsledky opět zpracujte do tabulky a uveďte příklad výpočtu. Poznámka: Jednotlivé hodnoty napětí U NEZAT na odbočkách děliče určete výpočtem (uvažujte, že dělič není zatížen žádným měřicím přístrojem). Po celou dobu měření používejte stejný rozsah voltmetru. 3. Na výstupu zdroje z předchozí úlohy nastavte a změřte pomocí 3 1 / 2 místného multimetru libovolnou ustálenou hodnotu v rozmezí 5,00 19,99 V (číslice na posledním místě displeje by se neměla měnit po dobu asi 1 minuty). Určete nejlepší odhad x výsledku tohoto provozního měření a jeho standardní nejistoty u A, u B, u C, za předpokladu zanedbatelné chyby metody i zanedbatelného vlivu vnějšího prostředí. Dále určete rozšířenou kombinovanou nejistotu U provedeného měření s konfidenční úrovní 95 % (předpokládá se rovnoměrné rozdělení pravděpodobností hodnot měřené veličiny, a to v mezích základní chyby měřicího přístroje). Poznámka: Do protokolu uveďte příslušné výpočty včetně použitých vzorců a na závěr zapište výsledek měření v předepsaném formátu. 4. Ověřte třídu přesnosti stejnosměrného analogového voltmetru s rozsahem 30 V pomocí přesného analogového voltmetru ML 20. Naměřené a vypočtené hodnoty zpracujte do tabulky, sestrojte příslušnou korekční křivku a připojte příklad výpočtu. V případě, že voltmetr nevyhovuje ověřované třídě přesnosti, uveďte, které nejbližší třídě vyhovuje. 5. Doporučený postup: Úlohu zapojte podle níže uvedeného schématu. Dle normy je třeba před zahájením měření zahřívat kontrolovaný přístroj jeho vlastní spotřebou (tj. při jeho plné výchylce) po dobu 30-ti minut. 1

VŠB - TU Ostrava Datum měření: Katedra elektrických měření Fakulta elektrotechniky a infromatiky Jméno a příjmení 1. studenta Datum odevzdání 1 Měření napětí a proudu Jméno a příjmení 2. studenta Hodnocení: Skupina měření Jméno a příjmení 3. studenta Tabulka 1: Parametry měřeného odporového děliče Měřený odpor [Ω] 1 2 3 4 5 U 0 [V] Tabulka 2: Parametry Analogového voltmetru A-voltmetr Název EČ R R [Ω/V] Rozsah [V] R V [Ω] Třída přes. Tabulka 3: Zapojení pro měření děliče analogovým V metrem Odbočka U α [d] k [V/d] U ZAT [V] U NEZAT [V] m [V] δ m [%] P [V] δ P [%] 1 2 3 4 5 Správnost hodnot [%]: Závěr: 2

Tabulka 4: Parametry multimetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) R v [Ω] X RMax X RM Tabulka 5: Zapojení pro měření děliče Multimetrem Odbočka U [V] U NEZAT [V] P [V] δ P [%] 1 2 3 4 5 Správnost hodnot [%]: Závěr: Tabulka 6: Parametry multimetru a obvodu X M δ 1 δ 2 X R Tabulka 7: Nejistoty měření U [V] U [V] δ U [%] u A [V] u B [V] u C [V] U [V] Správnost hodnot [%]: 3

Závěr Tabulka 8: Hodnoty pro ověření třídy přesnosti U M [V] U S [V] [V] K [V] Správnost hodnot [%]: Tabulka 9: Výsledné hodnoty kalibrace Rozsah Třída přesnosi Celková správnost hodnot [%]: Závěr 4

Příloha 5: Blokové diagramy prvního protokolu. Obrázek 1: Blokový diagram úlohy 1_1 1

Obrázek 2: Blokový diagram úlohy 1_2 2

Obrázek 5: Blokový diagram kontroly protokolu 1 ve struktuře CASE 1/2 část. 5

Příloha 6: Zadání a protokol k odevzdání laboratorního měření Měření pasivních veličin. VŠB-TU Ostrava Datum měření: Katedra elektrických měření Fakulta elektrotechniky a informatiky Jméno a příjmení 1. studenta: Datum odevzdání: Hodnocení: 2 MĚŘENÍ PASIVNÍCH VELIČIN Jméno a příjmení 2. studenta: Jméno a příjmení 3. studenta: Cíl měření: Naučit se některým metodám měření odporu Naučit se některým metodám měření parametrů indukčností a kapacit Naučit se volbě optimálního zapojení pro minimalizaci chyby měření Určit chybu údaje při měření indukčnosti a kapacity přímou metodou Zadání: 1. Změřte parametry předložené cívky (bez jádra nebo s jádrem určí vyučující) tak, aby se daly srovnat výsledky různých metod: 1.1 výchylkovou metodou pomocí ampérmetru, voltmetru 1.2 výchylkovou metodou pomocí ampérmetru, voltmetru a wattmetru 1.3 rezonanční metodou 1.4 digitálním LCR metrem Poznámka: Zapojení úloh 1.1 a 1.2 zvolte tak, aby chyba metody byla co nejmenší a své rozhodnutí řádně zdůvodněte. Naměřené i vypočtené hodnoty uveďte v tabulce. Vysvětlete případné rozdíly ve zjištěných parametrech. Při měření LCR metrem použijte frekvenci měření f = 120Hz. Poznamenejte si také činitel kvality Q a pomocí něj určete velikost činné složky R v sériovém náhradním schématu indukčnosti, srovnejte s hodnotami z předešlých metod. Uveďte rovněž chybu údaje při měření LCR metrem. 2. Změřte hodnotu dvou zvolených odporů (určí vyučující) některou z metod: 2.1 digitálním multimetrem 2.2 stolním multimetrem s možností měření odporů dvou a čtyřvodičově, pokud je to nutné Poznámka: Naměřené i vypočtené hodnoty včetně chyb uveďte v tabulce. Srovnejte uvedené postupy s hlediska přesnosti. 3. Změřte parametry kondenzátoru: 3.1 digitálním multimetrem 3.2 digitálním LCR metrem Poznámka: Srovnejte uvedené postupy s hlediska přesnosti. Uveďte rovněž chybu údaje při měření LCR metrem, případně i multimetrem, pokud to lze. Při měření LCR metrem použijte frekvenci měření f = 1kHz, poznamenejte si rovněž ztrátový činitel kondenzátoru D. 1

VŠB - TU Ostrava Datum měření: Katedra elektrických měření Fakulta elektrotechniky a infromatiky Jméno a příjmení 1. studenta Datum odevzdání 2 Měření pasivní veličin Jméno a příjmení 2. studenta Hodnocení: Skupina měření Jméno a příjmení 3 Tabulka 1: Parametry Analogového voltmetru Označení Název EČ RR [Ω/V] Rozsah [V] RV [Ω] Třída přes. Tabulka 2: Parametry analogového ampérmetru Označení Název EČ Rozsah [A] Třída přes. Tabulka 3: Hodnoty výchylkové metody za použití voltmetru a ampérmetru I [A] U [V] f [Hz] R [Ω] Z [Ω] L [mh] L [mh] δl [%] Správnost Závěr Tabulka 4: Parametry wattmetru. Označení Název EČ Rozsah [W] Třída přes. 461004 150 0,5 2

Tabulka 5: Hodnoty výchylkové metody za použití voltmetru, ampérmetru a wattmetru I [A] U [V] f [Hz] PW [W] Z [Ω] R [Ω] L [mh] Správnost Tabulka 6. Výpočet chyb přístrojů. δu [%] δi [%] δw [%] δcel [%] L [mh] Správnost Závěr Tabulka 7: Parametry analogového ampérmetru Označení Název EČ Rozsah [A] Třída přes. Tabulka 8: Výpočet indukčnosti prostřednictvím rezonanční metody. C [μf] f [Hz] I [ma] L [mh] δa [%] δc [%] δl [%] L [mh] Správnost Závěr Tabulka 9: Parametry LCRmetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) f XRMax XR 3

Tabulka 10: Naměřené hodnoty a vypočítané hodnoty LCRmetrem L [mh] f [Hz] Q [-] R [Ω] δl [%] L [mh] Správnost hodnot [%] Závěr Tabulka 11: Parametry digitálního multimetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) XRMax XRM Tabulka 12: Parametry stolního digitálního multimetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) XRMax XRM Tabulka 13: Měřené odpory Druh RR [Ω] RM [Ω] δr [%] R [Ω] Digit. multimetr Dig. stol. multimetr Správnost hodnot [%] 4

Tabulka 14: Použití ohmovy metody I [A] U [V] R [Ω] δr [%] R [Ω] Správnost hodnot [%] Závěr Tabulka 15: Parametry digitálního multimetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) XRMax XRM Tabulka 16: Parametry LCRmetru Multimetr Název EČ RDG (MH) digit (MHMR) f XRMax XR Tabulka 17: Parametry multimetru Druh C [μf] f [Hz] δc [%] C [μf] Multimetr X LCRmetr 120 LCRmetr 1000 Správnost hodnot [%] Celková správnost [%] 5

Závěr 6

Příloha 7: Blokové diagramy druhého protokolu. Obrázek 1: Blokový diagram úlohy 2_1. 1