г. Санкт-Петербург, 27 марта 2024 г. Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ Институт автоматики и электронного приборостроения ВНИИР-филиал ФГУП "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева " г. Казань МБОУ «Лицей № 145» г. Казани « Полипрофессиональная подготовка учащихся: практико-ориентированный подход в изучении цифровой метрологии» Смирнова Светлана Васильевна, к.т.н., доцент, научный руководитель кружка инженерного творчества
Предметные Метапредметные Личностные Обучающийся: • имеет представление об основных понятиях в области измерительных преобразователей; • имеет представление о параметрах, подлежащих измерению; • имеет представление о методах измерений; • умеет определять границы применимости различных методов и средств измерений. Познавательные УУД: - использование различных способов поиска, сбора, обработки, анализа и представления информации; - овладение логическими действиями сравнения, классификации, установления аналогий, построения рассуждений, отнесения к известным понятиям. Обучающийся: -проявляет интерес к изучению проектных тем; - проявляет интерес к профессии метролога. Коммуникативные УУД: – умение излагать свое мнение и аргументировать свою точку зрения; - способен взаимодействовать с другими обучающимися; – способен работать в группе. Регулятивные УУД: готов к поиску способов преодоления трудностей во время выполнения задания; – способен оценивать учебные задания в соответствии с поставленной целью.
I. Измерительные преобразователи. Разбор тем для проектной деятельности учащихся II. Измерительная электроника. Программа схемотехнического моделирования Electronics Workbench III. Цифровая измерительная электроника. Логические интегральные микросхемы. Демонстрация макетных плат: светофор и счетчик, собранные на микросхемах IV. Измерение различных параметров с помощью датчиков Arduino. Подбор датчиков для проектной деятельности учащихся
Погрешность средств измерений и погрешность результата измерения. Инструментальные и методические погрешности. Основная и дополнительная погрешности СИ. Статические и динамические погрешности. Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности. Абсолютная, относительная и приведенная относительная погрешности СИ. Аддитивные и мультипликативные погрешности. Класс точности средств измерений.
Бесконтактные ( методы основаны на измерении температурного излучения тела) Контактные Темы проектов: 1. Измеритель температуры на основе термометра расширения (биметаллической пластинки). 2. Измеритель температуры на основе терморезистора с положительным температурным коэффициентом. 3. Измеритель температуры на основе полупроводникового терморезистора. 4. Измеритель температуры с помощью термопары. 5. Температурный контроллер LM 3911 (фирма National Semiconductor ) на основе термотранзистора.
Содержат у пругие чувствительные элементы - это пассивные преобразователи косвенного преобразования. Они применяются для преобразования силы, давления, ускорения. Темы проектов с упругими преобразователями для измерения давления: Датчик давления с жестко заделанными мембранами Датчик давления с плоскими мембранами Датчик давления с колпачковыми мембранами Темы проектов с упругими преобразователями для измерения расхода: 4. Датчик расхода с плоской мембраной с центральным отверстием 5. Датчик расхода с подвижным сетчатым диском http://www.metronic.ru/stat/datchiki-davlenija-s-otkrytoj-zhestkoj-membranoj.html https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskaya-model-emkostnogo-datchika-davleniya/viewer
В медицине, прежде всего, измеряют артериальное и венозное давления. Кроме того, измеряется давление в глазном яблоке, плевральное давление, давление в пищеварительном тракте. Для измерения этих величин используют мембраны, на которые и наклеивают тензорезисторы. С одной стороны на мембрану подают давление, связанное с артериальным или венозным, а с другой – атмосферное.
Пьезорезонансные преобразователи используются: 1) Для измерения температуры При измерении температуры изменяются модуль упругости и плотность материала пьезоэлемента. В результате изменяется и его резонансная частота. 2) Измерение силы, вибрации, давления и т. д. Темы проектов: Пьезоэлектрический генератор Измеритель температуры воздуха пьезоэлектрический для промышленного мониторинга Измеритель давления на пьезоэлементах https://alpromgroup.ru/catalog/izmeriteli-temperatury/
Датчики давления емкостные: при изменении давления в камере диафрагма деформируется, в результате чего изменяется емкость. https://www.owenkomplekt.ru/emkostnye-datchiky.html Емкостные уровнемеры (жидкости, топлива, сыпучих) https://izmerkon.ru
Метод измерения Диапазон измерения Погрешность измерения Измеряемый расход Ультразвуковой 1:10…1:100 1,5-2,5% объемный Меточный 1:10…1:50 0,5-2,5% объемный Переменного перепада 1:5…1:20 2-4% объемный массовый с коррекцией по р, t Постоянного перепада 1:10…1:20 2-4% объемный массовый Ионизационный 1:100 2-5% массовый Вихревой 1:100 0,5-1,0% объемный Струйный 1:10 1-3% объемный Оптический 1:10 0,25-0,5% объемный Радиоактивный 1:10 1,5% объемный Турбинный 1:100 0,5-1,5% объемный массовый https://rusautomation.kz/rashodomery/turbinnye-rashodomery-gidkosti
1. Датчики газов для контроля окружающей среды 2. Барометрический высотомер 3. Система пожарной сигнализации на вертолете 4. Емкостной измеритель топлива летательных аппаратов 5. Ультразвуковой уровнемер топлива аэродромного автозаправщика 6. Турбинный расходомер природного газа 7. Прибор для определения тяжелых металлов в сточных водах 8. Система контроля опасных уровней содержания токсичных и взрывоопасных газов производственных помещений 9. Измеритель радиационного фона 10. Ионно-меточный пробоотборник на БПЛА Тема занятия Измерительные преобразователи. Разбор тем для проектной деятельности учащихся
Тема практического занятия II. Измерительная электроника. Программа схемотехнического моделирования Electronics Workbench Задание 1. Измерение напряжения источника постоянного напряжения. Задание 2. Измерение величины постоянного тока. Задание 3. Измерение сопротивления омметром. Задание 4. Исследование и измерение временных и амплитудных характеристик сигналов переменного тока. Работа с мультиметром. Состав оборудования: Компьютеры 12 шт., мультиметры цифровые DT -838, набор резисторов МЛТ-0,25, 5%.
Тема практического занятия III. Цифровая измерительная электроника. Логические интегральные микросхемы. Демонстрация макетных плат: светофор и счетчик Цель: получить практические навыки проведения измерений в области цифровой электроники на примере работы логической схемы И-НЕ интегральной микросхемы К155ЛА3, умение использовать цифровой измерительный прибор в процессе функционирования собранной схемы. Состав оборудования: блок питания на 5 В, макетная плата ВХ-4135 на 2420 точек / ProsKit (1 шт.), мультиметр цифровой DT -838. Перечень элементов: микросхемы К155ЛА3 (И-НЕ), К155ЛН1 (НЕ), К155ЛИ1 (И), КМ155ЛЛ1 (ИЛИ), набор резисторов МЛТ-0,25, 5%, 1,7 кОм, переключатели движковые (5 шт.), светодиоды (3 шт.), комплект проводов. Инструменты: пинцет, кусачки, тонкогубцы.
Тема практического занятия Цифровая измерительная электроника. Логические интегральные микросхемы Таблица истинности логической схемы 2 И-НЕ Схема проверки функционирования микросхемы К155ЛА3 Монтаж элементов на макетной плате
Тема практического занятия Демонстрация макетных плат: светофор и счетчик Светофор Монтаж элементов кодового замка на макетной плате Счетчик
Тема практического занятия Измерение различных параметров с помощью датчиков Arduino. Подбор датчиков для проектной деятельности учащихся. Цель: получить практические навыки в проведении измерений с помощью датчиков, написать программу скетч в ПО Arduino для сбора информации с датчиков, оформить результаты в таблицу и рассчитать погрешность измерений. Состав оборудования: датчики, плата Arduino UNO, макетная плата, провода соединительные, ноутбук, ПО Arduino 1.8.19. https://arduino.ru/
№ Задание Датчик 1 Измерение расстояние до объекта и расчет погрешности ультразвукового дальномера HC-SR04 2 Измерение освещенности с помощью фоторезистора 3 Измерение температуры с помощью цифрового датчика цифровой термометр DS18B20 4 Измерение в воздухе концентрации метана, дыма, угарного газа 5 Измерение атмосферного давления и температуры BMP280-3.3 6 Измерение влажности с помощью климатического датчика DHT-11 (22) 7 Измерение пульса Amped
1. Знакомство с различными датчиками. Разбор физики процесса измеряемого параметра. уровень рассчитывается по формуле:
2. Установка программного обеспечения, драйверов, библиотек. www.arduino.cc/en/Main/Software 3. Изучение основ программирования на Arduino IDE. Основные команды. Структура программы. Работа с библиотеками. https://wiki.iarduino.ru/page/ustanovka-nastroyka-programmnoy-obolochki-arduino-ide-dlya-windows/
4. Компилирование программы. Разбор ошибок при компиляции.
5. Изучение платы Arduino Uno, процессор, порты (цифровые, аналоговые), питание Vcc, земля GND. Оригинальная плата UNO R3, интеллектуальное программирование, модуль микроконтроллера ATmega328P, макетная плата
6. Загрузка скетча.
7. Изучение датчиков, их подключение к плате, контактные ножки.
Набор стартовых аксессуаров для Arduino UNO 3 301 ₽
8. Сбор установки с помощью контактных проводов, подключение платы Arduino Uno к порту компьютера, согласование порта. Загрузка программного кода в процессор платы Arduino Uno. Типичные ошибки, их разбор.
9. Процесс измерения параметров датчиком, занесение в таблицу измеренных значений. 10. Обработка результатов в Excel, MathCAD. Построение графиков. Расчёт погрешности измерения.
11. Применение навыков программирования для школьного проекта. Мобильная снегоплавильная установка Для измерения уровня талой воды применяется ультразвуковой датчик HC-SR04
Благодарю за внимание Контакты E-mail: svs.smirnova@gmail.com Телефон: 89272457335 Сайт: kai.ru
