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      基于LabVIEW的電表的改裝與校準仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

      2021-11-25 02:57:38楊鐵柱
      大學物理實驗 2021年5期
      關鍵詞:電阻箱電壓表電流表

      楊鐵柱,周 帥,潘 峰

      (鄭州科技學院 基礎部,河南 鄭州 450064)

      在大學物理實驗課程中,電表的改裝與校準實驗屬于基礎類實驗項目,能增加學生對電學知識的理解,同時能提升學生運用知識解決實際問題的能力。實驗根據(jù)電路的分流和分壓原理,將一個只允許通過較小電流的磁電式儀表(表頭)改裝為具有較大量程的電流表和電壓表。實驗以黑盒子式儀器為主,操作安全,但不利于學生了解實驗原理。實驗過程主要包含了電路設計、理論計算和改裝電表等環(huán)節(jié),任意環(huán)節(jié)的進展緩慢都會影響到整個實驗的效率。在傳統(tǒng)實驗教學中,學生課前預習不夠直觀,是造成實驗時間長、效率低等問題的主要原因。

      LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器(National Instrument)公司開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境[1],使用圖形化編程語言(Graphics Language)[2]。LabVIEW程序為框圖形式,具有清晰直觀易于學習,功能強大,易于調試和維護等特點,并且生成的獨立可執(zhí)行程序(EXE)可以共享在網(wǎng)絡平臺上,有助于大學物理實驗的信息化教學。LabVIEW的虛擬實驗系統(tǒng)在實驗教學和科學研究中都得到了廣泛的應用[3-7],但針對基礎性實驗的虛擬仿真系統(tǒng)較少。為了加深學生對儀器結構的了解,應用Solidworks軟件制作了儀器結構爆炸圖。針對此項空缺利用LabVIEW編程設計了一套集電表改裝與校準功能于一體的虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

      1 電表改裝與校準實驗原理

      教學中,表頭G只允許通過較小的電流。通過并聯(lián)電阻,可以將表頭改裝為量程較大的電流表;通過串聯(lián)電阻,可以將表頭改裝為量程較大的電壓表。實驗主要包含以下三個步驟:

      (1) 測量表頭的滿偏電流Ig和內阻Rg

      測量表頭的滿偏電流Ig和內阻Rg是實驗的第一步。此虛擬仿真實驗系統(tǒng)選擇的測量方法是替代法,其原理圖如圖1所示[8-9]。

      圖1 替代法原理圖

      R1為阻值連續(xù)可變的滑線變阻器,R2為電阻箱。

      替代法測量包含兩個基本步驟:第一步,將R1的阻值調節(jié)到最大值,電源電壓調節(jié)到最小,閉合總開關K,將單刀雙擲開關接通表頭一側,調節(jié)R1和電源電壓使表頭達到滿偏,記錄標準電流表示數(shù),即為表頭的滿偏電流Ig;第二步,保持電源電壓和R1的阻值不變,將單刀雙擲開關接通電阻箱R2一側,調節(jié)R2致標準電流表讀數(shù)為Ig,此時R2所示阻值為表頭內阻Rg的值。

      (2) 改裝成量程為Im的電流表

      Rp為電阻箱。

      改裝電流表原理圖如圖2所示。

      圖2 改裝電流表原理圖

      根據(jù)并聯(lián)電路的分流原理,將表頭與電阻箱Rp并聯(lián)。當干路的總電流達到Im時,通過表頭的電流為滿偏電流Ig,通過電阻箱的電流為Im-Ig。由并聯(lián)電路的特點和歐姆定律可以得到:

      (Im-Ig)RP=IgRg

      (1)

      (2)

      (3)改裝成量程為Um的電壓表

      改裝電壓表的原理圖如圖3所示。

      Rs為電阻箱圖3 改裝電壓表原理圖

      根據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理,表頭與電阻箱串聯(lián)。當通過表頭的電流為滿偏電流Ig時,改裝電壓表達到滿偏電壓Um,由串聯(lián)電路的特點和歐姆定律可以得到:

      (Rs+Rg)Ig=Um

      (3)

      (4)

      (4)改裝電表的校準

      改裝電表的校準是實驗重要的組成部分,改裝電流表校準原理圖如圖4所示,改裝電壓表校準原理圖如圖5所示。

      圖4 改裝電流表校準原理圖

      圖5 改裝電壓表校準原理圖

      將改裝電表的指針間隔上升和下降各一次,并指示在相同刻度上,分別讀取標準電表的示數(shù)并計算平均值記為Is(或Us),并與改裝電表對應刻度上的示數(shù)Ix(或Ux)進行對比,計算出修正值ΔIx=Ix-Is(或ΔUx=Ux-Us)。改裝電表的準確度等級a的計算公式為(其中a0為表頭的不確定度)[7]:

      (5)

      2 基于LabVIEW電表地改裝與校準仿真實驗系統(tǒng)設計

      在程序設計時,電源內阻設置為1 Ω,標準電流表內阻設置為100 Ω,表頭內阻為100 Ω,電壓表內阻設置為11 000 000 Ω。為了讓實驗更加接近實際,在程序中,利用隨機數(shù),為表頭讀數(shù)加入了不大于2.0%的隨機誤差。

      2.1 系統(tǒng)前面板及運行情況

      仿照THKDG-1型電表改裝與校準實驗儀,設計了虛擬仿真試驗平臺的前面板,如圖6所示。運行這個VI程序,按照如下步驟完成實驗操作,并對仿真實驗系統(tǒng)進行測試、調節(jié)和使用,達到模擬完成電表的改裝與校準實驗的全部過程。

      圖6 系統(tǒng)前面板

      (1)打開電源開關(紅色代表打開,白色代表關閉),電源電壓和滑動變阻器R1均連續(xù)可調。

      2)中間下方選擇框中選擇接表頭,調節(jié)電源電壓和滑動變阻器電阻,使表頭達到滿偏,通過標準電流表讀出表頭的滿偏電流Ig。

      (3)中間下方選擇框中選擇接電阻,保持電源電壓和滑動變阻器R1的阻值不變,調節(jié)電阻箱阻值使標準電流表讀數(shù)為Ig,此時電阻箱阻值為表頭內阻Rg的值。

      2.2 電表示數(shù)計算公式

      測量表頭的滿偏電流和內阻步驟中,由圖1所示,系統(tǒng)中電流強度公式為:

      (6)

      其中標準電表電阻為100 Ω,r為電源內阻(1 Ω),Rg為表頭內阻(接表頭系統(tǒng)中Rg的值為100 Ω,接電阻系統(tǒng)中的Rg值為0 Ω),R1為滑動變阻器阻值,R2為電阻箱阻值(接表頭電路系統(tǒng)中R2的值為0 Ω,接電阻系統(tǒng)中值可調)。

      改裝電流表系統(tǒng)中,如圖4所示,標準電流表電流強度Is計算公式為:

      (7)

      表頭電流強度Ig計算公式為:

      (8)

      Rp為并聯(lián)電阻箱阻值,在程序中為R2。

      改裝電壓表步驟中,如圖5所示,標準電壓表電壓強度Vs計算公式為:

      (9)

      其中Rv為電壓表內阻(11 000 000 Ω),Rs為串聯(lián)電阻箱阻值,在程序中為R2。

      表頭電壓強度Vg計算公式為:

      (10)

      2.3 程序框圖和儀器結構爆炸圖

      實驗系統(tǒng)中主要有4個程序,分別為測量表頭滿偏電流程序、接電阻箱測表頭內阻程序、改裝電流表程序和改裝電壓表程序等,如圖7所示。

      圖7 電表改裝程序框圖

      2.4 說明

      (1)在操作本系統(tǒng)時,只有當儀器總開關(右下角,打開時為紅色,關閉時為灰色)打開時,被電表才能顯示出準確讀數(shù)。

      (2)直流電源顯示框顯示了電源電壓值,其左側按鈕可以對電壓值進行微調,能在調節(jié)電壓時起到補充作用。

      (3)當表頭指針超過量程時超量程指示燈會顯示為紅色,同時系統(tǒng)會發(fā)出警報聲。

      3 結 論

      以LabVIEW為開發(fā)工具,針對電表改裝與校準實驗,設計了一套虛擬仿真實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了電表改裝與校準的全部功能?;贚abVIEW開發(fā)出的虛擬仿真實驗易于維護,不用擔心儀器損壞問題。系統(tǒng)前面板直觀、動態(tài)、易于操作,儀器結構爆炸圖清晰顯示出了儀器結構,可以提高學生的學習積極性,加深學生對實驗原理的理解。通過在網(wǎng)絡上共享生成的(EXE)程序,方便學生課前預習和課后復習,提高了教師上課的效率,促進了物理實驗課程的信息化教學。

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