CC BY
62
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru УДК 621.313(075.32)
Системный подход применения электроизмерительных приборов и средств компьютерного моделирования в лабораториях вузов технического профиля
Васюков С.А.1' *ц_уаьуиксп^таДлги
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В статье проведен аналитический обзор и классификация электроизмерительных приборов, лабораторных измерительных комплексов и средств компьютерного моделирования для применения в учебных электротехнических лабораториях вузов технической направленности. Рассмотрены достоинства и недостатки измерительного оборудования, приведены рекомендации по использованию. Разработаны базовые принципы формирования номенклатуры лабораторного измерительного оборудования, применение которых позволяет полноценно и качественно проводить лабораторного практикум по электротехническим дисциплинам для специальностей технического профиля. В качестве примера показана реализация приборного состава лабораторий кафедры «Электротехника и промышленная электроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана, выполненная на основе разработанных базовых принципов.
Ключевые слова: лабораторный стенд; измерительные приборы; электротехника; лабораторный измерительный комплекс
Введение
Современное высшее техническое образование, ориентированное на формирование профессиональных компетенций, уделяет большое внимание подготовке специалистов, владеющих как теоретическими знаниями, так и современными методами исследования [1]. Особо выделяется способность проводить исследования физических процессов и свойств объектов с выбором технических средств, методов измерений, обработки и представления результатов [2]. А эта способность во многом формируется в результате выполнения лабораторных практикумов.
Анализ программ подготовки специалистов и бакалавров в рамках базовых курсов на кафедрах электротехнического профиля показал, что большинство программ предусматривают выполнение лабораторных работ. Для бакалавров, электротехническая подго-
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 09. С. 24-43.
Представлена в редакцию: 07.08.2017 © НП «НЭИКОН»
товка которых проводится, как правило, за один семестр, учебными планами предусмотрено от двух до четырех лабораторных работ. Для специалистов, обучающихся два семестра - по четыре лабораторных работы в каждом семестре.
При выполнении лабораторных работ по электротехнике преследуются две основные цели. Первая цель - закрепление на практике основных положений курса. Вторая цель - научить студента навыкам работы с электроизмерительными приборами. Электротехника относится к «классическим» общеобразовательным дисциплинам, и содержание курса, а также перечень лабораторных работ со временем остается практически неизменным. Студенты 70-х годов прошлого столетия и современные студенты выполняют (за небольшим исключением) одни и те же лабораторные работы. Кардинальное отличие состоит лишь в приборном составе лабораторных стендов. Если в 70-х годах использовались в основном стрелочные электроизмерительные приборы, то в 80-х и 90-х годах к ним добавились аналоговые и цифровые электронные приборы. На современном этапе, в связи с широким внедрением средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов, приборный состав лабораторных стендов существенно изменился. К ранее используемым средствам измерений добавились цифровые осциллографы, специализированные и универсальные цифровые измерительные комплексы, а также многочисленные пакеты моделирования, позволяющие проводить виртуальные лабораторные работы.
Организация кафедральной лаборатории (или ее модернизация) представляет собой многофакторный процесс [3], учитывающий тенденции развития образования, предложения поставщиков лабораторного оборудования, материальные возможности учебного заведения и.т.п. Все это в совокупности, а особенно учет материальных возможностей по закупке нового лабораторного оборудования, позволяет утверждать, что лабораторная база кафедры не может меняться чаще, чем раз в 10-15 лет. В этих условиях, чтобы не отстать от современных образовательных стандартов, а еще лучше, действовать с учетом перспектив развития, особо тщательно нужно подходить к выбору приборного состава лабораторных стендов. Анализ литературных источников показал, что на данный момент не существует публикаций, дающих рекомендации по рациональному оснащению электротехнической лаборатории современными средствами измерений в условиях ограниченных материальных возможностей вуза. А это предполагает:
- аналитический обзор и классификацию средств измерений, применяемых на данном этапе в лабораторных стендах;
- выработку рекомендаций о возможности и целесообразности применения тех или иных средств измерений в лабораторном практикуме;
- выработку базовых принципов и рекомендаций по формированию перечня лабораторных работ и их приборного состава.
Решение этих вопросов и рассматривается в настоящей статье.
1. Аналитический обзор и классификация средств измерений
Существуют различные подходы при классификации электроизмерительных приборов [4]. Приборы можно классифицировать по методу измерений, роду измеряемой величины, роду тока, степени точности и принципу действия. В свою очередь, метод измерений может быть методом непосредственной оценки или методом сравнения, род измеряемой величины - напряжение, ток, мощность и.т.п. Но далеко не все типы электроизмерительных приборов, применяются в электротехнических лабораторных стендах. И поэтому необходима иная классификация, именно с учетом этой специфики. Анализ многочисленных источников и многолетний опыт работы автора, позволяет предложить следующую классификационную схему, рис. 1.
1.1. Амперметры и вольтметры
Такие приборы имеются в составе практически любого лабораторного стенда.
Стрелочные измерительные головки
Приборами этого типа комплектовались как стенды предыдущих поколений, так и продолжают комплектоваться современные электротехнические стенды. Характерным представителем является стенд НТЦ-01.06 [5], выпускаемый НТЦ-центр (Могилев) с начала 2000-х годов, рис. 2.
Рис. 1. Классификация измерительных приборов, применяемых в лабораторном практикуме.
Рис. 2. Лабораторный стенд НТЦ-01.06 «Электрические цепи».
В верхней части стенда расположена линейка стрелочных головок для измерения постоянного (по два амперметра и вольтметра слева) и переменного (семь приборов) напряжения и тока, использующихся при выполнении работ по цепям постоянного и переменного тока. В качестве примеров также можно привести стенды со стрелочными головками лабораторий МАДИ [6], МЭИ [7] и другие.
Достоинства стрелочных головок: низкая стоимость (сотни рублей за единицу), доступность на рынке, возможность быстрого демонтажа и замены в случае неисправности, малые габариты и возможность встраивания в лицевую панель.
Недостатки: низкая точность отсчета показаний, сложность отсчета, нелинейность шкалы (для головок переменного тока), необходимость периодической калибровки.
Но стрелочные измерительные приборы по-прежнему достаточно широко применяются в промышленности, и, несмотря на недостатки, необходимость обучения студентов работе с приборами этого типа существует. Следовательно, хотя бы часть лабораторных стендов кафедры должна быть укомплектована стрелочными головками.
Цифровые индикаторы и измерительные головки
Приборы этого типа также можно встраивать в лицевые панели стендов. В качестве примера стенда с цифровыми индикаторными панелями можно привести стенд НТЦ-01.06.1, рис. 3, выпускаемый НТЦ-центр несколько последних лет.
Рис. 3. Лицевая панель стенда НТЦ-01.06.1.
Отметим, что вместо простейших цифровых индикаторов, можно использовать встраиваемые многофункциональные цифровые головки. В качестве примера на рис. 4 показана головка ЛСМ20-5-ЛС1-Я-С, способная работать при измерении сигнала сетевой частоты одновременно ваттметром, амперметром, вольтметром и измерителем коэффициента мощности.
У01Л"5 АМР5 1 АС рожея мти ЛАТТ5 ( 5ЕГ РР )
Рис. 4. Многофункциональная головка ЛСМ20-5.
Достоинства цифровых головок: относительно низкая стоимость (до несколько тысяч рублей за единицу), многофункциональность, доступность и возможность быстрой замены, малые габариты и возможность встраивания в лицевую панель, удобство отсчета показаний.
Недостаток их применения в лабораторных стендах только один. Цифровые головки не являются полноценными измерительными приборами (мультиметрами, тестерами...), встречающимися в повседневной практике. Студенты, работая с ними, не приобретают навыков работы с реальными приборами, и поэтому применение цифровых головок в лабораторных стендах вряд ли целесообразно.
Стрелочные мультиметры (тестеры)
Это, как правило, многофункциональные приборы с ручным переключением диапазонов измерений и защитой от перегрузок. Типичные представители данного класса приборов - отечественные комбинированные приборы серии Ц43, способные измерять постоянные и переменные напряжения и токи, а также сопротивление. Их достоинством является многофункциональность. Среди недостатков при использовании в лабораторном практикуме можно указать: неудобство отсчета показаний (в том числе из-за нелинейности шкалы), необходимость ручного переключения диапазонов, батарейное питание. Приборы требуют бережного обращения и применение их в лабораторном практикуме нецелесообразно. Они использовались в 70-90-х годах, а сейчас практически вытеснены цифровыми мультиметрами.
Цифровые мультиметры бытового применения (тестеры)
Достоинства: невысокая стоимость, надежность, малые габариты (возможность встроить в лицевую панель), автоматический выбор диапазона измерений, удобство отсчета показаний.
Недостатки: ограниченный частотный диапазон, батарейное питание.
Наборы цифровых мультиметров (как встраиваемых, так и переносных) широко используются разными производителями лабораторного оборудования. В качестве примера, на рис. 5, показан набор встроенных мультиметров (стенд ИПЦ «Учебная техника» [8]).
Рис. 5. Встроенные мультиметры стенда ИПЦ «Учебная техника».
Эти приборы широко примененяются как в бытовых, так и в производственных и научных целях. Приобретение навыков работы с цифровыми тестерами для современных студентов является одной из приоритетных задач. И наличие таких измерительных приборов в лабораторном оборудовании, на взгляд автора, обязательно.
Стационарные (настольные) цифровые мультиметры
При выполнении работ по аналоговой электронике (исследование усилителей на транзисторах, операционных усилителей и генераторов) требуется получение частотных характеристик. Применение цифровых тестеров для этой цели ограничено их частотным диапазоном (единицы килогерц). Использование осциллографов для снятия частотных характеристик хотя и возможно, но неудобно и занимает много времени, что недопустимо в лабораторном практикуме. Необходим вольтметр с частотным диапазоном в несколько десятков, а еще лучше сотен килогерц. И здесь практически нет альтернативы настольным цифровым мультиметрам. На рынке предлагается большой выбор этих приборов [9] по цене от 30 тысяч рублей за единицу.
При выборе типа прибора следует, на взгляд автора, руководствоваться двумя положениями. Первое, чтобы частотный диапазон измерений был не менее 100 кГц (желательно конечно и больше, но приборы повышенного частотного диапазона менее доступны и существенно дороже). Второе - простота работы с прибором (у студентов при выполнении работ мало времени на изучение самого прибора).
В качестве примера, на рис. 6 показаны два цифровых мультиметра. Первый (рис. 6 а) - 0ВМ-8246/Я8/0 имеет частотный диапазон от 20 Гц до 100 кГц и оптовую стоимость порядка 35 тыс. рублей. Второй - В7-78/1 - диапазон от 3 Гц до 300 кГц и стоимость 70 тыс. рублей.
| П П Г) п п и. и и и и гёЩ МНЛ1 1
ММ. .1 шс, ' м Г мН 1 Ц™, Г Д Гмктн »■ты« тщ^щ цщ ЩЩЙШвШ ■■■■ ■ВЕЯ лап^ 1-1 ■ >3 ! | [ аш> ! ▼ 1 ЮТ
Ф (9)
Рис. 6. Мультиметры вБМ-8246 (а) и В7-78/1 (б).
а
б
Характеристики второго мультиметра для лабораторного практикума явно избыточны, работа с ним для студентов сложна. В то время как работа с ОБМ-8246 для студентов никаких трудностей не вызывает.
1.2. Ваттметры
Приборы для измерения активной мощности (ваттметры), применяемые в лабораторном практикуме, могут быть классифицированы (рис. 1) на встраиваемые и переносные. Встраиваемые ваттметры могут быть как аналоговыми стрелочными (пример применения показан на рис. 2, крайний правый прибор), так и цифровыми (рис. 3, крайний справа и рис. 4). Встраиваемые ваттметры (в силу их простоты, малых габаритов и дешевизны) измеряют мощность на частотах, близких к сетевой частоте 50 Гц. Они применимы лишь при исследовании свойств трехфазных и резонансных цепей, где работа происходит на сетевой частоте, а резонансный режим достигается параметрически (например, изменением емкости контура). Но существует лабораторные работы (исследование частотных свойств двухполюсников и четырехполюсников, исследование резонанса, где резонанс достигается изменением частоты питающего напряжения) в которых требуется измерять мощность в определенном диапазоне частот. И здесь встраиваемые приборы не применимы. В этом случает целесообразно использовать переносные ваттметры. Они могут быть как стрелочными, так и цифровыми. Цифровые ваттметры проще в использовании, но примерно в два раза дороже. С другой стороны, при работе со стрелочными ваттметрами студенты дополнительно учатся выбирать необходимый диапазон напряжений и токов и рассчитывать цену деления. При выборе конкретного типа ваттметра следует согласовывать параметры прибора с параметрами исследуемой схемы в составе стенда. Частотный диапазон стрелочных ваттметров не превышает 650 Гц, а цифровых - может достигать 1000 Гц и выше. В качестве примера, на рис. 7 а и б показаны стрелочный и цифровой ваттметры, параметры которых, по мнению автора, достаточны для применения в лабораторном практикуме.
а б
Рис. 7. Ваттметр аналоговый Д5063 (а) и цифровой СР3010/2 (б).
1.3. Фазометры
Измерители разности фаз (фазометры) применяются в лабораторном практикуме при исследовании характеристик цепей синусоидального тока (резонанс, четырехполюсники, фильтры...). Эти приборы должны измерять разность фаз двух синусоидальных напряжений в частотном диапазоне от единиц герц до десятков килогерц. Рынок этих приборов чрезвычайно скуден. Проведенный анализ показал, что в настоящее время на отечественном рынке доступны только два фазометра. Первый - Ф2-28, имеет частотный диапазон 5 Гц - 500 кГц и стоимость порядка 25 тыс. рублей за единицу. Второй - Ф2-34 измеряет разность фаз в диапазоне 0,5 Гц - 5 МГц и стоит 200 тыс. рублей. Характеристики и того, и другого избыточны для лабораторного практикума и поэтому первый предпочтительнее.
1.4. Осциллографы и генераторы
Эти приборами комплектуются, как правило, лаборатории электрических цепей и аналоговой электроники. В лаборатории цепей осциллограф и генератор необходим, прежде всего, при исследовании переходных процессов. В лаборатории аналоговой электроники - практически для всех лабораторных работ. В классификационной схеме, рис. 1, можно выделить аналоговые осциллографы, цифровые и USB-осциллографы. Так как электротехнические и электронные схемы в лабораторном практикуме относительно низкочастотные, то осциллографа с полосой пропускания 10 МГц (а большинство осциллографов имеют полосу не ниже 10 МГц) вполне достаточно. Осциллографы должны быть двухлучевые (или двухканальные) для одновременного наблюдения и сравнения сигналов в двух точках схемы. Осциллографы с большим числом каналов для лабораторных целей избыточны и необходимости в их применении нет.
В лабораториях желательно иметь и аналоговые осциллографы, например в лаборатории цепей, и цифровые (или USB) в лаборатории электроники. Хотя, при ограниченных материальных возможностях, можно применять осциллографы любого типа. Аналоговые осциллографы существенно проще в обращении. Цифровые - сложнее, обладают большими возможностями, но практика проведения работ показывает, что иногда времени, отведенного на лабораторную работу, недостаточно, для освоения цифрового осциллографа. Кроме этого, в силу специфики работы, картина на экране цифрового осциллографа несколько «заторможена». USB-осциллографы требуют подключения к компьютеру. Они сложны в освоении и применение их в лабораторном практикуме возможно в плане ознакомления студентов с перспективными видами приборов. Если учебный план предусматривает отдельную лабораторную работу по изучению контрольно-измерительных приборов, то ознакомление с USB-осциллографом будет, несомненно, полезно.
Так как особых требований к осциллографам нет, то на первый план выступает надежность и низкая цена. Анализ рынка позволяет рекомендовать: среди аналоговых осциллографов 0СУ-20, GOS-620; среди цифровых - АКИП-4115/1А, TBS1032B, GDS-71102; из USB-осциллографов - АКИП-72204А.
В качестве генераторов целесообразно использовать генераторы сигналов специальной формы (синус, треугольник, пилообразный и прямоугольный сигналы). Выходная частота должна варьироваться от десятых долей герца до нескольких сотен килогерц. Выбор на рынке достаточно большой, и, как и для осциллографов, главный критерий надежность и цена. Можно порекомендовать генераторы UTG9020A, SFG-2010, GFG-8219A или другие с похожими характеристиками.
1.5. Лабораторные измерительные комплексы
Некоторые фирмы-производители предлагают лабораторные измерительные комплексы. В них стенд укомплектован компьютером со специализированным интерфейсом и программным обеспечением, реализующим набор электроизмерительных приборов. Здесь можно выделить продукцию НТП-центр (г. Могилев, Белоруссия) [5]. Измерения производятся с помощью цифрового измерительного комплекса (МПСО) встроенного в стенд и подключаемого к персональному компьютеру через шину USB.
Программное обеспечение стенда позволяет:
• выводить в одних координатных осях до 21 измерительного канала, с индивидуальной настройкой параметров;
• производить анализ спектра любого из используемых измерительных каналов;
• производить измерение частоты сигнала на любом из используемых каналов;
• вычислять активную, реактивную составляющие мощности, полную мощность, коэффициент мощности;
• сохранять массив данных из буфера для последующего анализа;
• производить экспорт осциллограмм в графические форматы;
• задавать параметры ЦАП. ЦАП позволяет формировать сигналы синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы.
Среди зарубежных поставщиков можно выделить немецкую фирму Лукас Нюлле. Система UniTrain [10], поставляемая этой фирмой состоит из базис - стенда и набора сменных кассет. Все измерения проводятся посредством компьютеризованного измерительного комплекса на основе программного обеспечения LabSoft. Лукас Нюлле также поставляет лабораторные измерительные комплексы по электрическим машинам. Специфику работы с этими стендами автор достаточно подробно описал в [11,12].
Челябинское предприятие ИПЦ «Учебная техника» [8] предлагает несколько модификаций стендов по электротехнике и электронике, включающих компьютерный измерительный комплекс «ВП ТОЭ», специально адаптированный для проведения лабораторных работ. В составе измерительного комплекса имеется коннектор (рис. 8), соединенный че-
рез USB-порт с персональным компьютером. Он предназначен для ввода измеряемых токов и напряжений в компьютер и их последующих измерений с помощью программы «ВП ТОЭ».
Светодиоды сигнализации включённого предела измерения
Кнопки переключения шунтов амперметров
КОННЕКТОР
20 5 1 В <® ®>
+
с; о о о о (5)6 о
+500100 20 5 мА
о О О О 0(д2
б)
(О.
+500100 20 5 мА
фооо (л4)6 о
Кнопки переключения делителей напряжения
Гнёзда для включения приборов в цепь
Кнопка переключения измеряемого тока (11 или 12)
Кнопка переключения измеряемого тока (13 или 14)
К КОМПЬЮТЕРУ УББ
Рис. 8. Лицевая панель коннектора.
Изображенные на лицевой панели измерительные приборы V0, V! А1...А4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Для активации измерительных приборов необходимо открыть программу «ВП ТОЭ». В блоке «Приборы I» (рис. 9 а) содержатся вольтметры и амперметры. Для измерения сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз с помощью виртуальных приборов используется блок «Приборы II» (рис. 9 б).
а
Отключен
У Активное сопротивление И
Реактивное сопротивление X Полное сопротивление 7. Угол сдвига Фаз Активная мощность Р Реактивная мощность О П олная мощность Б Частота \ Период Т
б
Рис. 9. Виртуальные приборы: а - Приборы I; б - Приборы II.
Виртуальный осциллограф (рис. 10 а) позволяет наблюдать временные диаграммы сигналов, подаваемых на входы коннектора. На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа коннектора. Для наблюдения динамики изменения измеряемой величины более удобным является стрелочный прибор. Поэтому в комплексе «ВП ТОЭ» имеется псевдо аналоговый стрелочный прибор (рис. 10 б), который может дублировать показания любого из рассмотренных выше цифровых приборов.
б
Рис. 10. Виртуальный осциллограф (а) и стрелочный прибор (б).
а
Лабораторные измерительные комплексы являются мощным инструментом при выполнении лабораторных работ. Но все же, если лаборатория укомплектована стендами с измерительными комплексами, следует учитывать ряд моментов.
Первое, опыт работы автора с различными измерительными комплексами показал, что часто их технические возможности далеки от потребностей. Например, комплекс «ВП ТОЭ», несмотря на его универсальность, имеет существенный недостаток. Частота дискретизации измеряемых сигналов составляет не более 200 Квыб/с. При этом частотный диапазон виртуальных измерительных приборов не превышает 2 кГц, что явно недостаточно для измерения частотных свойств электрических цепей. И поэтому при проведении некоторых видов лабораторных работ приходится комплектовать стенд дополнительными измерительными приборами.
Второе, производители измерительных комплексов не работают под конкретного заказчика. Они предлагают некоторый свой перечень лабораторных работ, руководствуясь собственными мотивами. И часто их аппаратное и программное обеспечение, а также состав стенда не удовлетворяет реальным потребностям. Доработка программного обеспечения под заказчика процесс долгий и дорогостоящий, и, как правило, в этом плане они не идут навстречу пожеланиям вуза.
Третье, измерительные комплексы не содержат реальных электроизмерительных приборов. И работа с ними хотя и позволяет закрепить основные теоретические положения электротехники, но дает немного полезных навыков по электрическим измерениям.
Подводя итог, можно сказать, что нецелесообразно строить лабораторный практикум, опираясь только на измерительные комплексы. Даже если их технические возможности позволяют реализовать весь необходимый комплекс лабораторных работ.
1.6. Виртуальные лаборатории
Виртуальные лабораторные работы практически не требуют больших затрат на оборудование. Достаточно просто персонального компьютера и лицензионного программного обеспечения, что не представляет для вуза трудностей. При выполнении таких работ [13,14] студенты используют моделирование электрических схем в пакетах МиШ81ш, Ма1ЬаЬ, МюгоСар и других компьютерных средствах моделирования. Несомненно, компьютерное моделирование полезно, особенно в тех областях, где исследование реальных электротехнических и электронных устройств затруднительно. В частности, трудно найти альтернативу моделированию при исследовании цифровых и микропроцессорных схем. Однако моделирование не может заменить навыки работы с реальными приборами, а эти навыки, несомненно, понадобятся будущему инженеру после окончания университета.
2. Рекомендации по формированию приборного состава электротехнических учебных лабораторий
Учебные планы электротехнической подготовки специалистов и бакалавров технических вузов включают в себя несколько крупных разделов:
- теория электрических цепей;
- трансформаторы и электрические машины;
- аналоговые электронные устройства;
- цифровые и микропроцессорные устройства.
При организации лабораторного практикума есть два пути. Первый из них опирается на универсальные лаборатории, когда в каждом зале находятся стенды, позволяющие выполнять весь комплекс лабораторных работ. Этот путь трудно реализовать на практике в силу разнородности решаемых задач. Второй, наиболее перспективный путь - создание отдельных специализированных лабораторий, когда в лабораторных залах находятся стенды, реализующие лабораторные работы по одному из четырех перечисленных выше разделов.
При формировании приборного состава лабораторий нужно, по мнению автора, руководствоваться следующими базовыми принципами:
A. Максимальная полнота приборного состава лабораторий.
B. Приоритет контрольно измерительных приборов перед лабораторными измерительными комплексами и программами моделирования.
Несколько слов в пояснении данных положений. Исходным пунктом является ознакомление студента и будущего инженера со всем спектром измерительного оборудования, но приоритетом является ознакомление с реальными контрольно измерительными приборами. Причем, как с приборами бытового, повседневного применения, так и с приборами, которые возможно использовать для производственных целей и научных исследований. Можно было бы пойти по простому пути. Например, оснастить все залы лабораторными измерительными комплексами, отображающими все результаты на экране компьютера. Комплексы удобны в работе, способны измерять одновременно несколько сигналов и проводить их обработку. Студенту особо и не приходится думать, что и как измерять. Все делает плата сопряжения с компьютером и программа обработки измерений. Для выполнения тех же измерений потребовалось бы несколько отдельных приборов. Или еще проще - оснастить все лабораторные залы компьютерами, программами моделирования и проводить виртуальные работы. Но после выполнения цикла виртуальных лабораторных работ или на измерительном комплексе студент не приобретет навыков работы не только с ваттметром, фазометром и осциллографом, но даже с простым цифровым тестером. А именно эти приборы он будет использовать на работе и в повседневной жизни.
Итак, желательно, чтобы после выполнения всех лабораторных работ студент приобрел навыки работы со всеми измерительными средствами: контрольно измерительными приборами, лабораторными комплексами и программами моделирования. Но приоритет -реальные измерительные приборы.
C. Продвижение «от простого к сложному».
Опыт проведения лабораторных работ показывает, что на освоение различных средств измерений студентам требуется разное время. Наиболее прост в работе цифровой мультиметр (тестер), так как он имеет защиту от перегрузок, и показывают измеряемую величину в цифровом формате. Достаточно трех-пяти минут, чтобы студент прочитал ко-
роткое описание, или преподаватель разъяснил ему всего два момента: в какое положение установить поворотный переключатель для измерения постоянного или переменного напряжения, тока или сопротивления, и как выбрать предел измерений. Со стрелочными индикаторами чуть сложнее. Здесь нужно сначала рассчитать цену деления (она может меняться при нелинейной шкале), а затем при каждом измерении рассчитывать показания прибора с учетом цены деления.
Освоение аналогового осциллографа требует значительно большего времени, так как здесь по каждому из двух каналов студент должен установить свой масштаб. Понять, чем отличается «открытый» вход от «закрытого», освоить регулировки смещения луча по вертикали и горизонтали, цену деления развертки и.т.д. И если предварительно студент освоил, например, цифровой мультиметр и стрелочный прибор, то освоение осциллографа происходит быстрее. Еще сложнее в освоении цифровой осциллограф.
Чтобы понять, как работает лабораторный измерительный комплекс, требуется еще большее время. А освоение, хотя бы поверхностное, такой программы моделирования, как Multisim, требует нескольких часов. И опять же, если перед этим студент уже научился подключать амперметр, вольтметр, ваттметр, осциллограф, то подключение в Multisim виртуальных приборов не вызовет у него трудностей.
Итак, двигаясь «от простого к сложному» при изучении работы приборов, освоение происходит быстрее и качественнее. Для различных специальностей и направлений подготовки число и маршрут лабораторных работ может отличаться. Но все же, при любом маршруте студенты сначала изучают цепи постоянного тока, затем цепи синусоидального тока, затем трехфазные цепи и только потом переходные процессы. Теория цепей всегда изучается раньше, чем электрические машины. Аналоговая электроника всегда предшествует цифровой. И поэтому целесообразно строить маршрут лабораторных работ и их приборное наполнение таким образом, чтобы студенты осваивали приборы по мере их усложнения. Например, при исследовании цепей постоянного тока можно использовать только стрелочные головки, при исследовании цепей синусоидального тока - цифровые тестеры или настольные мультиметры, ваттметры и фазометры, в лабораторной работе по переходным процессам добавить аналоговый осциллограф и генератор и.т.д.
D. Сочетание прямых и косвенных измерений.
В процессе проведения лабораторных работ студент должен понять, что одну и ту же величину (ток, напряжение, частоту...) можно измерить разными приборами. Причем сделать это как прямым, так и косвенным способом. Приведем ряд примеров.
При исследовании цепей постоянного тока, величину тока в какой-либо ветви цепи можно измерить, включив в эту ветвь амперметр. А можно и косвенным путем, измерив вольтметром напряжение на любом резисторе этой ветви, и поделив его на сопротивление резистора.
При исследовании цепей синусоидального тока, действующее значение напряжения может быть определено с помощью стрелочной головки или тестера, а можно и с помощью осциллографа, измерив с его помощью амплитуду напряжения.
Измерить разность фаз двух синусоидальных напряжений можно с помощью фазометра и с помощью осциллографа и.т.д.
Желательно, чтобы приборный состав каждой лабораторной работы позволял проводить как прямые, так и косвенные измерения.
Е. Разумное сочетание реальных средств измерений и моделирования.
В настоящее время часто лабораторные залы укомплектованы персональными компьютерами. Установив на них программы моделирования (наиболее популярная -МиШв1ш), можно при проведении конкретной лабораторной работы какую-либо ее часть провести в виртуальном режиме. А еще лучше, провести одни и те же исследования параллельно: исследовать процессы в какой-либо электротехнической схеме или устройстве и на реальном оборудовании с применением измерительных приборов, и виртуально, промоделировав это устройство.
Например, при исследовании двухполюсников, можно на первом этапе получить частотные характеристики на МиШв1ш, а затем их же на лабораторном стенде. То же можно сделать и при исследовании переходных процессов.
Если зал не укомплектован персональными компьютерами, то моделирование студенты могут выполнить до лабораторной работы в виде предварительной подготовки. А на лабораторной работе сравнить результаты моделирования и эксперимента.
3. Пример реализации приборного состава для кафедры «Электротехника и промышленная электроника»
Организация кафедральной электротехнической лаборатории представляет собой долговременный, многофакторный процесс, зависящий не только от идеологии построения, но и от материальных возможностей вуза. Приведем перечень работ и их приборный состав, который реализован на кафедре «Электротехника и промышленная электроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана в промежуток времени 2005-2016 гг. при непосредственном участии автора и на основе базовых принципов, изложенных выше.
На кафедре в настоящее время функционируют 3 учебные лаборатории по теории электрических цепей, лаборатория аналоговой электроники, лаборатория электрических машин, лаборатория электропривода и компьютерный класс, в котором располагается лаборатория цифровой электроники. Ниже, по каждой лаборатории приведен перечень работ, а в скобках используемые в них приборы и программы моделирования.
Лаборатория №1 «Теория электрических цепей»
Укомплектована 10-ю стендами НТЦ-01.06, 2006 г. (рис. 2).
1. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока (стрелочные головки).
2. Исследование резонансных явлений в линейных электрических цепях (стрелочные головки).
3. Трехфазные цепи (стрелочные головки).
Лаборатории №2 и 3 «Теория электрических цепей»
Укомплектованы (каждая) 10-ю компьютеризованными стендами «Теоретические основы электротехники» и лабораторными измерительными комплексами «ВП ТОЭ», производитель ИПЦ «Учебная техника», г. Челябинск, 2016 г.
1. Исследование линейных электрических цепей постоянного тока (цифровые тестеры).
2. Исследование частотных характеристик в линейных электрических цепях («ВП ТОЭ», Multisim).
3. Исследование резонансных явлений в линейных электрических цепях («ВП ТОЭ», фазометр Ф2-34).
4. Трехфазные цепи («ВП ТОЭ»).
5. Переходные процессы в линейных электрических цепях («ВП ТОЭ», USB-осциллограф АКИП-72204А, Multisim).
6. Нелинейные электрические цепи (Multisim).
7. Исследование трансформатора (Multisim).
Лаборатория «Электрические машины»
Укомплектована 12-ю компьютеризованными стендами Лукас Нюлле со специализированным программным обеспечением, 2011 г. При выполнении всех лабораторных работ используется лабораторный измерительный комплекс Active Servo, цифровые амперметр, вольтметр и ваттметр.
1. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
2. Исследование ДПТ с независимым возбуждением.
3. Исследование ДПТ с последовательным возбуждением.
Лаборатория «Аналоговая электроника
Укомплектована 10-ю стендами НТЦ-02.05, 2008 г.
Приборный состав: настольный цифровой мультиметр GDM-8246, аналоговый осциллограф ОСУ-20, стрелочные головки.
1. Исследование неуправляемых и управляемых выпрямителей.
2. Усилители на транзисторах.
Лаборатория «Цифровая электроника»
Все работы реализованы на МиШв1т.
1. Логические элементы и комбинационные схемы.
2. Триггеры.
3. Счетчики и сумматоры.
4. Микроконтроллеры.
Выводы
1. Проведен аналитический обзор и классификация электроизмерительных приборов, лабораторных измерительных комплексов и средств компьютерного моделирования для применения в учебных электротехнических лабораториях вузов технической направленности. Рассмотрены достоинства и недостатки измерительного оборудования, приведены рекомендации по использованию.
2. Разработаны базовые принципы формирования лабораторного измерительного оборудования, применение которых позволяет полноценно и качественно проводить лабораторного практикум по электротехническим дисциплинам для специальностей технического профиля.
3. Приведен пример реализации приборного состава лабораторий кафедры «Электротехника и промышленная электроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана, выполненный на основе разработанных базовых принципов.
Список литературы
1. Александров А.А., Коршунов С.В., Цветков Ю.Б. Образовательные стандарты МГТУ им. Н.Э. Баумана - новое качество инженерного образования // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12, С. 966-983. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/752249.html (дата обращения 07.08.2017).
Б01: 10.7463/1214.0752249
2. Федеральные Образовательные Государственные Стандарты. Режим доступа: http://минобрнауки.рф/%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0 %BD%D1%82%D1%8B?events sections=8 (дата обращения 07.08.2017).
3. Васюков С.А. Комплексный подход к выбору оборудования в целях полноценного и качественного выполнения лабораторного практикума по электротехническим дисциплинам для специальностей технического профиля// Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 11, С. 189-204. Режим доступа: http://old.technomag.edu.ru/doc/850103.html (дата обращения 07.08.2017).
D0I: 10.7463/1116.0850103
4. Классификация электроизмерительных приборов. Режим доступа: https://ш.wikipedia.org/wiki/Электроизмерительные_приборы (дата обращения 07.08.2017).
5. Научные инновации для образования. НТП-центр. Режим доступа: http://ntpcentr.com/ru/catalog/01_00/ (дата обращения 07.08.2017).
6. Лабораторная и практическая работа студентов. Режим доступа: http://www.madi.ru/2173-kafedra-elektrotehnika-i-elektrooborudovanie-laboratorna.html (дата обращения 07.08.2017).
7. Лабораторный и компьютерный комплексы МЭИ. Режим доступа: / http://toe.mpei.ru/ (дата обращения 07.08.2017).
8. Стенды «Теоретические основы электроники». http://www.galsen.ru/catalog/ (дата обращения 07.08.2017).
9. Каталог измерительных приборов ЧИП и ДИП. Режим доступа: https://www.chipdip.ru/catalog-show/voltmeters (дата обращения 07.08.2017).
10. Система UniTrain. Режим доступа: https://www.lucas-nuelle.ru/2936/apg/8199/UniTrain.htm (дата обращения 07.08.2017).
11. Красовский А. Б., Васюков С. А. Особенности применения оборудования фирмы Лукас Нюлле в лаборатории электрических машин кафедры «Электротехника и промышленная электроника» МГТУ им. Н.Э. Баумана// Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана: электронное научное издание. 2013. № 10. С. 1035-1060. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/635835.html (дата обращения 07.08.2017).
12. Васюков С. А., Красовский А. Б. Опыт применения оборудования фирмы Лукас Нюл-ле в лаборатории электрических машин при исследовании характеристик двигателей постоянного тока // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана: электронное научное издание. 2013. № 11. С. 577-600. Режим доступа: http://engsi.ru/doc/637883.html(дата обращения 07.08.2017).
13. Карлащук В.И., Карлащук С.В. Электронная лаборатория на IBM PC. - Москва: Изд-во Солон-пресс, 2009.- 509 с.
14. Алиев И.И. Виртуальная электротехника. - Москва: Изд-во РадиоСофт, 2003.-112 с.
