ПЗ (Виртуальная лаборатория для проведения занятий по дисциплине Электротехника), страница 2

Примерами простых моделей являются виртуальные лаборатории Virtulab (рисунок 4).

Рисунок 4 – Виртуальная лаборатория Virtulab

VirtualLab – проект по разработке виртуальных лабораторных работ для учащихся по физике, химии, биологии, экологии. Виртуальные лабораторные работы реализованы при помощи технологии Flash. Отличаются узкой специализацией, в большинстве случаев линейностью опыта (вся последовательность действий и результаты опыта заданы заранее). Продукты VirtualLab имеют познавательную ценность и решают задачу проведения лабораторных работ при отсутствии необходимого оборудования.

1.3. Универсальные лаборатории

Универсальные компьютерные лаборатории являются сложными моделирующими системами, в основе функционирования которых лежит мощный математический аппарат.

Универсальность таких систем обеспечивается системным подходом к моделированию и разработке моделей.

Такие виртуальные компьютерные лаборатории могут быть близки по своим возможностям к программам, используемым для реальных научных или производственных расчетов.

Особенностью универсальных лабораторий является ярко выраженный компонентный подход и продвинутые средства вывода, обработки и сохранения результатов моделирования.

Преимуществами универсальных лабораторий являются:

– простота масштабирования: в состав универсальных лабораторий входят средства по добавлению новых компонентов;

– возможность объединения компонентов для построения большого количества моделей различных экспериментов.

В качестве примера можно привести программу Algodoo (рисунок ).

Рисунок 5 – Виртуальная лаборатория Algodoo

Algodoo – программа предназначенная для физических 2D симуляций. Имеет очень богатый инструментарий для создания различных объектов, механизмов и систем с целью моделирования их физического взаимодействия и свойств. Например можно создать модель работающих часов.

Программа способна симулировать не только механические процессы, но и оптические, а возможность программирования при помощи скриптового языка Thyme позволяет создавать объекты с оригинальными физическими свойствами, различные функции, эффекты и явления. Также имеется возможность загружать рисунки: рисунок становится объектом симуляции и ему можно задать любые физические свойства.

2 Реализуемые устройства

2.1 Амперметр

Амперметр – это электроизмерительный прибор, предназначенный для фиксации силы постоянного либо переменного тока, протекающего в цепи. Амперметр подключается последовательно, с тем участком электроцепи, где предполагается измерять ток. Так как ток, который он измеряет зависит от сопротивления элементов цепи, то сопротивление амперметра должно быть максимально низким. Это позволяет уменьшить влияние амперметра на измеряемую цепь и повысить точность измерений.

Шкалу прибора градуируют в мкА, мА, А и кА, и в зависимости от требуемой точности и пределов измерения выбирают подходящий прибор.

Рисунок 6 – Модель амперметра

2.2 Вольтметр

Вольтметр предназначается для измерения напряжения или электродвижущей силы (ЭДС) на участках электрических цепей.

Подключение прибора к нагрузке производится параллельно.

Рисунок 7 – Модель вольтметра

Для оценки технических характеристик измерительных приборов принято пользоваться такими показателями:

– внутреннее сопротивление. В идеале этот показатель должен быть максимально высоким. В этом случае минимизируется влияние прибора на цепь, в которую он подключается. Другими словами, чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем точнее измерение;

– диапазон измеряемых напряжений. Большинство вольтметров являются универсальными и измеряют напряжение в диапазоне от десятков милливольт до 1000 вольт. Этих пределов вполне достаточно для большинства измерений. Однако специалисты широко используют специальные приборы, которые позволяют измерять очень маленькие значения напряжений с высокой точностью – милли и даже микровольтметры (с точностью до тысячных и миллионных частей вольта) и киловольтметры, измеряющие высокие напряжения порядка тысяч вольт. Работа с этими приборами требует наличия некоторых специальных знаний, навыков и допуска к эксплуатации электроустановок с напряжением свыше 1000 В, чтобы не вывести из строя приборы (милли- и микровольтметры) или не допустить электротравмирования и гибели обслуживающего персонала (при работе с киловольтметрами);

– точность измерения (погрешность). Этот параметр характеризует возможные отличия показаний прибора от реального напряжения в цепи;

– диапазон частот измеряемого переменного напряжения.

Исходя из конструкции, сферы использования, точности измерения и другим показателям вольтметры классифицируют следующим образом:

– по принципу действия вольтметры бывают электромеханические (чаще всего встречаются магнитоэлектрические и электромагнитные) и электронные (цифровые и аналоговые);

– по назначению – импульсные, постоянного и переменного тока и другие;

– по способу применения: щитовые (встроенные) и переносные.

2.3 Мультиметр

Мультиметр – комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций.

В минимальном наборе включает функции вольтметра, амперметра и омметра. Иногда выполняется мультиметр в виде токоизмерительных клещей. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры.

Мультиметр может быть как лёгким переносным устройством, используемым для базовых измерений и поиска неисправностей, так и сложным стационарным прибором со множеством возможностей.

Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного магнитоэлектрического измерительного прибора (микроамперметра), набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов для измерения тока. В режиме измерения переменных напряжений и токов микроамперметр подключается к резисторам через выпрямительные диоды. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного источника питания, а измерение сопротивлений более 1..10 МОм – от внешнего источника.

Рисунок 8 – Модель мультиметра

Недостатки мультиметров:

– недостаточно высокое входное сопротивление в режиме вольтметра.

Технические характеристики аналогового мультиметра во многом определяются чувствительностью магнитоэлектрического измерительного прибора. Чем выше чувствительность (меньше ток полного отклонения) микроамперметра, тем более высокоомные добавочные резисторы и более низкоомные шунты можно применить. А значит, входное сопротивление прибора в режиме измерения напряжений будет более высоким, падение напряжения в режиме измерения токов будет более низким, что уменьшает влияние прибора на измеряемую электрическую цепь. Тем не менее, даже при использовании в мультиметре микроамперметра с током полного отклонения 50 мкА, входное сопротивление мультиметра в режиме вольтметра составляет всего 20 кОм/В. Это приводит к большим погрешностям измерения напряжения в высокоомных цепях (результаты получаются заниженными), например при измерении напряжений на выводах транзисторов и микросхем, и маломощных источников высокого напряжения. В свою очередь, мультиметр с недостаточно низкоомными шунтами вносит большую погрешность измерения тока в низковольтных цепях;

– нелинейная шкала в некоторых режимах.

Аналоговые мультиметры имеют нелинейную шкалу в режиме измерения сопротивлений. Кроме того, она является обратной (нулевому значению сопротивления соответствует крайнее правое положение стрелки прибора). Перед началом измерения сопротивления необходимо выполнить установку нуля специальным регулятором на передней панели при замкнутых входных клеммах прибора, так как точность измерения сопротивления зависит от напряжения внутреннего источника питания.

Шкала на малых пределах измерения переменного напряжения и тока также может быть нелинейной;

– требуется правильная полярность подключения.

Аналоговые мультиметры, в отличие от цифровых, не имеют автоматического определения полярности напряжения, что ограничивает удобство их использования и область применения: они требуют правильной полярности подключения в режиме измерения постоянных напряжений/токов, и практически непригодны для измерения знакопеременных напряжений/токов.

2.4 Осциллограф

Осциллограф – прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи.

Рисунок 9 – Фигуры Лиссажу на экране осциллографа

В зависимости от способа обработки входящего сигнала различают аналоговые и цифровые осциллографы.

У приборов первого типа экраном является электронно-лучевая трубка. В ней пучок электронов попадает на дисплей, в результате чего подсвечивается люминофор. Величина отклонения пучка зависит от приложенного к электродам напряжения. При подаче его к пластинам X создаётся развёртка - движения луча слева направо. Затем луч возвращается назад и движется заново. Потом следует подача исследуемого напряжения на пластины Y.

В дальнейшем на экране аналогового осциллографа, как правило, наблюдается совпадение периодов сигнала и пилы, которая представляет собой расположенный в крайнем левом положении луч. В этом случае в течение однократного прохода развёртки наблюдаются один либо несколько периодов исследуемого сигнала. При необходимости можно изменять развёрточную скорость.

Аналоговые осциллографы постепенно вытесняются цифровыми, производимые с их помощью измерения являются более точными. Кроме того, цифровые приборы можно подключить к компьютерной технике. Они позволяют обнаруживать импульсные помехи, а экран остаётся ярким и хорошо сфокусированным при любой скорости разметки.

По принципу работы цифровой осциллограф объединяет в себе достоинства аналогового вида и ЭВМ. Он не только может отображать показатели напряжения в реальном времени, но и делает возможным производство на их основании математических данных, выполнение записи сигналов в свою память и многое другое. А главное, в отличие от аналогового инструмента, цифровой осциллограф может показать "предварительный запуск", то есть просмотр предыстории сигнала до появления запуска импульса.

2.5 Источник напряжения

Источником напряжения считается идеальный источник, представляющий собой двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением. На него не влияет нагрузка сети, а внутреннее сопротивление у источника равно нулю.

На схемах он обычно обозначается кругом с буквой «Е» и стрелкой внутри, показывающей положительное направление ЭДС (в сторону увеличения внутреннего потенциала источника).

Рисунок 10 – Источники напряжения

Теоретически на выводах у идеального источника напряжение не зависит от величины тока нагрузки и является постоянной величиной. Однако, это условная абстракция, которая не может быть осуществлена на практике. У реального источника при увеличении тока нагрузки значение напряжения на зажимах всегда уменьшается.

В действительности источниками напряжения работают различные химические и гальванические элементы, аккумуляторные батареи, электрические сети. Их разделяют на источники: