Experimentální techniky Ing. Martin Bušek, Ph.D.
Anotace předmětu Předmět seznamuje studenty s obecnými pravidly a metodikami provádění experimentů. Cílem předmětu je zvládnutí experimentálního procesu od analýzy problému, přes návrh postupu, výběr metodiky a přístrojového vybavení až po vlastní měření a vyhodnocení experimentu. Získané vědomosti si studenti ověří na praktických úlohách a budou je moci využít při přípravě experimentální části diplomové práce.
Obsah předmětu Experiment jako jedna ze základních metod pro získání poznatků o fyzikálním procesu. Stanovení cílů, kterých má být provedením experimentu dosaženo. Technické možnosti a ekonomika řešení. Etapy experimentu. Návrh postupu s ohledem na možnosti výskytu nepředvídaných komplikací při realizaci experimentu. Analýza sledovaného problému. Volba vhodné strategie při realizaci experimentu. Eliminace rušivých vlivů působících na experiment. Návrh experimentálního pracoviště. Výběr vhodné metodiky a přístrojové techniky. Fyzické sestavení experimentální úlohy. Problematika vlastního měření. Kalibrace a oživování jednotlivých částí měřících řetězců. Provedení opakovaných měření. Využití výpočetní techniky pro řízení experimentu a sběr naměřených dat. Tvorba software pro měřicí účely. Graficky orientovaný vývojový systém LabView. Filosofie a vlast nosti systému, popis vývojového prostředí, odlišnosti od jiných systémů. Základy programování v prostředí LabView. Základní programovací prostředí a prostředky. Tvorba virtuálních přístrojů. Prostředky pro ladění programů. Tvorba uživatelských funkcí v prostředí LabView. Globální proměnné. Sdílení dat mezi úlohami, multitasking. Vyhodnocení výsledků experimentu. Určení nejistot výsledků měření. Hledání příčin eventuálních nesrovnalostí ve výsledcích. Návrh úprav a variací experimentálního procesu pro opakovaná měření. Verifikace výsledků.
Organizace předmětu Přednášky / cvičení se prolínají a doplňují Výuka formou diskuse nad problémy Předmět navštěvuji dle hesla: něco se chci naučit Ukončení zkouškou samostatná úloha Předmět předpokládá práci s PC Jaký je zájem studentů, co studují
Experimentální techniky Experimenty z různých oborů: vybíráme oblast eletrotechniky a mechaniky Řešení elektrotechnických úloh Jak zacházet s experimentem zaměřeno na DP jak jej vytvářet a jak postupovat Experimenty i v praxi Experimet metoda pro získávání poznatků, v našem případě z oblasti fyzikálních procesů Důležitost experimentu - pro řízení procesů - získání znalostí k dosažení cíle? Co chceme získat, co očekáváme od experimentu
Rozdělení experimentu do etap A. Příprava Co má být experimentem dosaženo Ve většině případů je příprava experimentu to nejsložitější (dlouhá příprava, při měření nalezení chyby, závady a opět se vracíme k přípravě => kvalitnější příprava) Čím lepší příprava => méně problémů při měření a vyhodnocení Uvažování o vlivech okolí Přírodní zákonitosti nelze obelstít
Analýza problému Analyzovat a navrhnout metodiku Metody více cest k dosažení výsledku výhody/nevýhody Nejednoznačný výběr metody - nejen na základě měřené veličiny, ale i dostupné techniky Hledat nejefektivnější přístup Uvažování o vlivech - vnější: předem odhadnout a vyloučit, např. vliv teploty (teplotní rozsahy přístrojů) - vnitřní: odhalitelné až při samotném experimentu Kvalita převodu na el. signál zpracování signálů
Elektromagnetická kompatibilita Velké ovlivnění experimentu, mimo bateriových přístrojů Přístroje napájené ze sítě nn jsou zdrojem rušivých signálů Vznik kapacitních a induktivních vazeb Problémové frekvence např. 50Hz zkreslení, spínací obvody, přenos do měřicího řetězce, do ss částí měřicích přístrojů! Přístroje vybavit filtry! Správné zemění - zemění do jednoho místa RSE/NRSE (spojení/nespojení s krytem přístroje) - použití diferenciálních kanálů DIFF Měření v průmyslu nelze eliminovat vznik rušení => vhodné zapojení, filtrace
Měřicí prostředky Technické záležitosti x ekonomika experimentu Analýza dostupných měřicích prostředků => přizpůsobení experimetu dostupným prostředkům Finance - finančně nedostupné etalony - vybavení laboratoře (pronájem, leasing, půjčka) nákup univerzální přístroje, efektivita PC+moduly vs. Osciloskop Většina měřicí techniky je dnes navázána na PC, což přináší úsporu prostředků! Nutnost speciálního PC systému měřicí software, žádné kancelářské programy a systémy MS Win.
Měřicí software Podpora několika firem na světě Celosvětový standard NATIONAL INSTRUMENTS Pomocí PC se vytváří virtuální přístroje Přístroj je realizován na PC uživatelský interface na monitoru Prvky: knoflíky, dialogy, grafy, ovládání myší, NI je již hodně rozšířeno v ČR Škoda Auto, Jablotron, NI LabWindows textově orientovaný jazyk na bázi C NI LabView graficky orientovaný jazyk, podoba s Mathlab Simulink
NI LabView Programování bez znalostí textově orientovaných programovacích jazyků Vkládání ikon a připojení drátků Interaktivní Běh programu: program řízen tokem dat paralelně Procedura/funkce/ikona začne fungovat tehdy, má-li na vstupech platná data Běh programu lze řídit strukturami Verze 5.. až dnes verze 2010 Multitasking, DMA, Real Time, FPGA modul, Simulation, Control, Motion toolkit, analýzy GSM, GPS,.
Rozdělení experimentu do etap B. provedení Získávání veličin a parametrů (poznatky z II.ročníku Měřicí technika I. a II.) nebudeme se zabývat snímači, senzory, ale metodikou Problematika vlastního měření kalibrace přístrojů - přiřazení číslu konkrétní veličinu a hodnotu, stanovení nejistot sestavení měřicího řetězce po částech a verifikovat (část řetězce nefunguje, poškození přístrojů) vyhodnocení měření - grafy, tabulky, nejistoty měření, měřicí místa, použité přístroje,
Přísun dat do PC Komunikační rozhranní - RS232, seriová linka, pomalé, pouze pro jeden přístroj - GPIB, paralelní komunikace při standardu IEEE 488 Měřicí moduly možnost připojení více přístrojů na sběrnici - samostatné moduly I/O připojitelné přes USB sběrnici Měřicí karty - multifunkční: všestranné, obsahují napěťové i proudové zesilovače, AD/DA převodníky-16bit, čítače/ časovače, analogové I/O, digitální I/O TTL - speciální: můstkové zesilovače, vysokonapěťové karty, FPGA, karty s diferenčními zesilovači, karty s teploměry
Měření vs. řízení Komunikace karty se softwarem ovladače NI DAQ Měření Řízení - NI DAQ Traditional, NI DAQmx, NI RIO, - při měření jsou data předávána přes vyrovnávací buffer - eliminace vlivu chování OS Win pohyb myší, HDD ukládání, - nutnost provádění řídicích operací v reálném čase - speciální HW zařízení s vlastním OS PharLapETS - FPGA měřicí karty nezávislý běh na čipu Xillinks