Оборудование и приборы

1. Щит силовой;

2. Частотный преобразователь «Веспер»;

3. Лабораторные автотрансформаторы;

4. Датчик тока Холла;

5. Датчик напряжения Холла;

8. Шкаф согласования датчиков;

9. Модуль сбора данных;

10. Персональный компьютер;

11. Программное обеспечение «LabView SignalExpress».

Краткие теоретические сведения

Схема подключения лабораторных установок и измерительных приборов представлена на рисунке 1.1. Трехфазное напряжение 380/220 в. с частотой f=50 Гц. подается на силовой щит, содержащий три автоматических выключателя OF1-OF3, с величинами токов срабатывания 63А, 50А и 20А соответственно. Через выключатель OF2 сетевое напряжение подается на частотный преобразователь (ПЧ) «Веспер», питающий трехфазные установки для лабораторных работ (ЛР), а через выключатель OF3 сетевое напряжение подается на понижающий трансформатор напряжения (ТН), питающий 2-х фазные установки для лабораторных работ.

С ПЧ «Веспер» регулируемое 3-х фазное напряжение заданной частоты подается на шкаф датчиков трехфазных установок (ШД 1). Каждая установка, питающаяся от трехфазной сети, подключена к ШД 1 через автоматический выключатель SF, установленный над соответствующей лабораторной установкой. При выполнении эксперимента подключается только одна установка. Для измерения параметров напряжения и тока, питающих подключенную установку, на ШД 1 установлены датчики напряжения Холла (ДНХ) и датчики тока Холла (ДТХ). Сигналы с этих датчиков поступают на шкаф согласования датчиков (ШСД) и через плату сбора данных (ПСД 1) поступают на измерительную систему «LabVIEW SignalExspress» для визуализации измеряемых электрических величин на виртуальных приборах.

Для питания регулируемых напряжением двухфазных установок с частотой f=50 Гц, используются два лабораторных автотрансформатора (ЛАТР), подключенных ко вторичной обмотке понижающего трехфазного трансформатора (ТН). Один ЛАТР подключен к линейному напряжению 220 В, а другой ЛАТР подключен к фазному напряжению 127 В, фаза которого сдвинута относительно линейного напряжения на 90^o. Регулируемое двухфазное напряжение с автотрансформаторов поступает в шкаф датчиков двухфазных установок (ШД 2). Установки подключаются к ШД 2 через автоматические выключатели SF. При выполнении физического моделирования может быть подключена только одна установка. Измеряемые параметры напряжения и тока с датчиков Холла (ДНХ и ДТХ) подаются в шкаф сбора данных (ШСД) и через плату сбора данных ЛСД 2 поступают на измерительную систему «LabVIEW SignalExspress» для визуализации результатов эксперимента.

­­­­

Рисунок 1.1 – структурная схема подключения и

информационно-измерительный комплекс

Щит силовой (рисунок 1.2) применяется в осветительных и силовых установках производственных, общественных, административных и других подобных зданий. Он содержит различную коммутационную, защитную и показывающую аппаратуру. Соединяется с одной или более внешними отходящими электрическими цепями, питается от одной или более входящих цепей, имеет присоединения нейтральных и защитных проводников.

В данном силовом щите ЩС установлено три автоматических выключателя. Трехфазное напряжение с учебного корпуса подано на выключатель OF1 с величиной тока срабатывания 63А. Для подключения к щиту силовому ПЧ «Веспер» питающего трехфазные лабораторные установки используется выключатель OF2 с величиной тока срабатывания 50А, а для подключения двухфазных установок используется выключатель OF3 с величиной тока срабатывания 20А.

Рисунок 1.2 – Щит силовой

На рисунке 1.3 представлен частотный преобразователь «Веспер», предназначенный для питания лабораторных установок, требующих наличие трехфазного напряжения с регулируемой частотой. Ознакомиться с работой данного устройства можно в руководстве по эксплуатации [1].

Рисунок 1.3 – ЧП «Веспер» общий вид

Лабораторные автотрансформаторы - это оборудование с возможностью плавного и точного регулирования выходного однофазного напряжения. Конструктивно ЛАТР представляет собой тороидальный магнитопровод с навитой на нем медной обмоткой, которая имеет открытую неизолированную дорожку. Электрический контакт нагрузки с обмоткой автотрансформатора осуществляется при помощи скользящей угольной щетки, при перемещении которой изменяется действующее значение выходного напряжения. Однофазные ЛАТРы позволяют регулировать напряжение в пределах от 0 до 250В, трехфазный ПЧ «Веспер» позволяет регулировать трехфазное напряжение от 0 до 450В в диапозоне частот от 1 до 400 Гц. ЛАТРы широко используются в лабораторных установках, для наладки и тестирования различного оборудования.

Рисунок 1.4 – Лабораторные автотрансформаторы

Датчики Холла (рисунок 1.5) работают на определение магнитного поля. Если индукция доходит до определенного предела, то датчик дает сигнал на присутствие магнитного поля. Если предел не достигнут, то сигнал равен нулю. Слабая индукция и малая чувствительность датчика не дает сигнал наличия поля. Недостатком такого типа датчиков является то, что у него есть зона нечувствительности порогов.

Существует два вида датчиков Холла: аналоговые и цифровые. Аналоговые преобразуют индукцию магнитного поля в напряжение, знак и величина которого будут зависеть от полярности и силы поля. Цифровые же выдают лишь факт наличия/отсутствия поля, и обычно имеют два порога: включения – когда значение индукции выше порога, датчик выдает логическую единицу; и выключения – когда значение ниже порога, датчик выдаёт логический ноль. Наличие зоны нечувствительности между порогами называется гистерезисом и служит для исключения ложного срабатывания датчика на всяческие помехи – аналогично работает цифровая электроника с логическими уровнями напряжения. В данной лаборатории используются аналоговые.

Рисунок 1.5 –Датчики Холла

Шкаф согласования датчиков (рисунок 1.6) связан кабелями с блоком согласования. По кабелям подается питание на датчики и снимаются аналоговые сигналы, поступающие с датчиков на блок согласования. Блок согласования сигналов соединен сигнальным шлейфом с модулем АЦП, который кабелем USB связан с компьютером. В модуле АЦП производится оцифровка аналоговых сигналов и данные передаются на компьютер.

Рисунок 1.6 –Шкаф согласования датчиков

Модули сбора данных (рисунок 1.7) позволяют решать разнообразные задачи контроля и обработки информации быстро меняющихся процессов, а также задачи управления, связанные с выдачей выходных сигналов одновременно по нескольким каналам. Многофункциональные платы сбора данных (модули сбора данных) в одном устройстве интегрируют функции, необходимые для ввода-вывода и хранения данных, позволяют осуществлять одновременный ввод и вывод информации и строить на их основе сложные законченные системы ввода-вывода данных, управления, контроля и измерения.

Рисунок 1.7 – Модули сбора данных

Персональный компьютер в данной схеме используется для вывода измеряемых физических величин в программном обеспечении "LabView SignalExpress" на экран (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 – Экран для вывода измеряемых физических величин

Программное обеспечение "LabView SignalExpress" позволяет настроить модульную систему сбора данных на базе USB - NI CompactDAQ, и кроме того, работает еще с 270 устройствами сбора данных. NI CompactDAQ предоставляет выбор из более чем 30 модулей, позволяющих пользователям в одной системе совместить измерения сигналов разного типа: температурные, токовый ввод/вывод, многоканальный цифровой ввод/вывод, высокоточный и высокоскоростной аналоговый ввод/вывод. Сочетание USB системы NI CompactDAQ и LabVIEW SignalExpress обеспечивает законченное и удобное решение задач рагистрации данных, и позволяет существенно сократить время, затрачиваемое на установку и измерения. С помощью LabVIEW SignalExpress можно автоматизировать процесс сбора, анализа и сохранения данных, полученных с более чем 400 модульных и автономных приборов. Инженеры могут сберечь ценные часы лабораторного времени, используя LabVIEW SignalExpress для автоматизации выполнения разнообразных задач, таких как характеристика схем, измерение амплитуды, частоты и регистрация данных. Анализ данных в режиме реального времени позволит инженерам своевременно выявить ошибки проектирования и измерения и быстро внести нужные исправления, избегнув необходимости в проведении повторных измерений. Благодаря автоматической генерации графического кода LabVIEW в среде LabVIEW SignalExpress, инженеры могут использовать разработанные алгоритмы на производстве.

Используя LabVIEW SignalExpress, преподаватели могут дать студентам практические навыки сбора и анализа данных в аудитории или лаборатории без необходимости обучения основам программирования. Для сравнения с наблюдаемыми данными студенты также имеют возможность импортировать в LabVIEW SignalExpress данные моделирования из большого разнообразия пакетов, таких как National Instruments Multisim, широко используемого программного обеспечения для интерактивного SPICE моделирования и анализа электрических схем. Сочетая мощные возможности схемотехники и моделирования NI Multisim с возможностями измерения в LabVIEW SignalExpress студенты могут легко сравнить модели с наблюдаемыми данными, что позволяет свести к минимуму количество шагов проектирования и дать качественные результаты (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Рабочее окно программы

Для исследования электромагнитного воздействия на расплавленный металл при физическом моделировании используются специальные эвтектические сплавы, имеющие относительно низкую температуру плавления. В рассматриваемых лабораторных установках используются следующие виды сплавов:

- эвтектический сплав на основе галлия (галлий - 67%, индий - 20,5%, олово 12,5%);

- сплав Розе (олово - 25%, свинец - 25%, висмут - 50%);

- сплав Вуда (олово - 12,5%, свинец - 25%, висмут - 50%, кадмий - 12,5%).

Основные физические свойства сплавов приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Тип сплава	Эвтектический сплав	Сплав Розе	Сплав Вуда
Плотность, кг/м3	6440	9260	9720
t плавления, °C	10	94	68,5
Удельная электропроводность, 10-6 Ом-1м-1	3,46 (при 20оС)	1,3	2,3
Вязкость, Па*с	0,0024 (при 20оС)	0,00357	0,0041

Контрольные вопросы

1. Описать схему подключения лабораторных установок и измерительного комплекса.

2. Как происходит регулирование напряжения в двухфазной цепи?

3. Какие датчики Холла существуют и для чего используются?

4. Как обеспечить сдвиг фаз двухфазного напряжения?

5. Принцип работы имерительной системы LabView SignalExpress.

Лабораторная работа №2