CC BY
51
числения. Важно выбрать границы оценивания, которые зависят от множества факторов. Для железнодорожного транспорта сформулированная проблема имеет следующие учитываемые частные случаи:
2.1. Тип подвижной единицы. Классификатор подвижного состава описан в гл. 1 и учитывается при вычислении весовых коэффициентов.
2.2. Способ использования. Подвижная единица может использоваться на главной магистрали или на второстепенных, является постоянно действующей или эпизодически используемой, задействована в технологических окнах или в аварийных ситуациях.
2.3. Временные графики использования. В данном смысле существует большое многообразие режимов использования подвижного состава.
Существуют подвижные единицы местного значения (например, мотор-вагонный подвижной состав, дизель - поезда, мотрисы, спецвагоны и т.д.), поезда регулярного формирования (не считая пассажирских перевозок, к ним относятся контейнерные поезда, поезда с углем, поезда с нефтепродуктами), переформируемые грузовые поезда, существующие на интервалах между сортировочными станциями, и подлежащие учету на станциях приписки (что на сегодня практически не делается).
Несмотря на сложность задачи, она может решаться с помощью специальных алгоритмов, реализуемых на компьютерах. В том числе возможно использование адаптивных (самоприспосабливающихся) методик.
Приведенные алгоритмы нашли практическую проверку и использованы при разработке систем контроля и диагностирования.
Библиографический список
1. Техническая диагностика и надежность железнодорожной техники : монография ; под ред. А.Н.Головаша. — М. : «Спутник +», 2006.
2. Головаш А.Н. Техническая диагностика — основа безопасности транспорта // Железнодорожный транспорт, 2000. - № 10.
3. Головаш А.Н., Наговицын В.С., Шахов В.Г. Алгоритм диагностики подвижного состава на основе графовых моделей // Фундаментальные и прикладные исследования — транспорту / Тр. УрГУПС, 2001.
4. А.Н. Головаш В.Г., Наговицын В.С., Шахов В.Г. Использование теории графов в анализе надежности технических систем // Контроль. Диагностика, 2003. — №3.
5. Заездный А.И. Основы расчетов по статистической радиотехнике. — М. : Связь, 1969. — 544 с.
6. Прикладные нечеткие системы ; под ред. Т.Тэрано. — М. Мир, 1993. — 368 с.
ДОЛЖИКОВ Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы».
ШАХОВ Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматики и систем управления, научный консультант Научно-исследовательского института технологии, контроля и диагностики.
Дата поступления статьи в редакцию: 25.04.2008 г.
© Должиков С.Н., Шахов В.Г.
УДК 5742 В. Г. ВАПНЯРЧУК
Е. Ю. ЛЕВЧЕНКО
Курганский государственный университет
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В СОВРЕМЕННОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ПРАКТИКУМЕ___________________________
В работе рассматриваются перспективы использования нового цифрового измерительного оборудования, инструментального средства обеспечения современного экологического образования. Исследование предлагает серию приборов (CAPI), разработанных авторами, удовлетворяющих современным технологическим и эргономическим требованиям, а также устанавливает возможные параметры измерительного портативного оборудования, применяемого для мониторинга физических показателей окружающей среды.
Образовательная политика нашей страны в последнее десятилетие уделяет все большее внимание экологической составляющей. Новые задачи экологического образования определяют содержание не только школьного и вузовского предмета и научного
направления «Экология», но и базовых естественных наук (физики, химии, биологии и географии). Это является фактором усиления практической направленности всего естественнонаучного образования и требует особого подхода к оснащению всего учебно-
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
го процесса: внедрения различных специфических методов и технологий и нового лабораторного оборудования. Экологический практикум сегодня выявляет необходимость сочетания различных методов, направленных на оценку состояния окружающей среды и активное использование мониторинга [3]. Целью данной работы является демонстрация перспектив и возможностей использования портативных измерительных приборов, оснащенных системой спутниковой навигации в физических и экологических измерениях.
Одной из проблем, с которыми сталкивается физическая экология, является одновременное измерение сразу нескольких физических величин с проведением предварительной математической обработки на месте измерения, зачастую в полевых условиях. Чтобы оценить состояние физических, химических, биологических загрязнений специалист-эколог должен сначала на месте провести основные измерения параметров среды, и только позднее в лабораторных условиях проводить высокоточную и дорогую экспертизу [1].
Эффективным решением поставленных задач является использование предлагаемых портативных многофункциональных цифровых измерительных комплексов на базе современных микроконтроллеров. Такого рода комплексы сочетают в себе следующие качества:
• Многоканальность. К измерительному блоку можно подключать сразу несколько измерительных преобразователей, конструктивно выполненных в виде измерительного щупа.
• Автономность. Низкое энергопотребление, характерное для современной электронной техники, позволяющее работать с измерительным блоком в полевых условиях. Для энергопитания используются портативные источники (батареи, аккумуляторы).
• Интеллектуальность. Основным управляющим элементом цифрового измерительного комплекса является микроконтроллер — микроЭВМ, с собственной специализированной программой. Программа, управляющая работой прибора, выполняет несколько основных функций - функцию управления процессом измерения (переключение каналов измерения, настройка параметров входных цепей, запуск аналого-цифрового преобразования), функцию математической обработки результата измерения, функцию вывода результата на индикатор.
• Наглядность. В качестве индикатора результатов измерений используется цифровой или графический жидкокристаллический дисплей. Современные дисплеи имеют низкое энергопотребление и встроенный микроконтроллер, позволяющий выводить информацию в виде цифр, букв или графиков.
• Совместимость с компьютерной системой. Микроконтроллер цифровой измерительной системы обладает аппаратными средствами, которые позволяют передавать по последовательному каналу (RS232) данные от прибора в компьютерную систему. Далее данные могут быть включены в базу данных и обработаны сложными математическими методами.
Все перечисленные качества цифровых измерительных систем на базе микроконтроллеров позволяют рассматривать предлагаемое направление как перспективное с точки зрения развития инструментальной базы физических и экологических измерений, получения новой оперативной информации о состоянии окружающей среды.
Наш проект предполагает разработку нескольких программируемых измерительных комплексов, объединенных общей технологической структурой и общим названием — CAPI (Computer Assistant Physical Investigation — «Компьютерный помощник в физических исследованиях»). В качестве интеллектуальных измерительных приборов в проекте используются программируемые измерительные комплексы на базе микроконтроллеров семейства ATmega фирмы ATMEL [2]. Микроконтроллеры этого семейства обладают эффективной RISC-архитектурой, достаточно большой памятью, а также блоками многоканального аналого-цифрового преобразователя, что позволяет использовать их в качестве измерительных модулей.
Современный микроконтроллер представляет собой однокристальную микроЭВМ, оснащенную измерительной и коммуникационной периферией. Он работает по программе, первоначально разработанной на языке ассемблер, а затем с помощью программатора записанной в память программ (FLASH-память). При включении питания микроЭВМ начинает обрабатывать команды. Программа управляет работой всех функциональных узлов микроконтроллера. Важно, что при изменении измерительных задач в большинстве случаев не требуется замены электронных компонентов — необходимо лишь изменять программный код, записанный в память. Перепрограммирование
132
Рис. 1. Внешний вид измерительного комплекса CAPI-ECO
микроконтроллера производится непосредственно внутри измерительного блока без демонтажа устройства и изменений конструкции.
Основные преимущества использования подобных программируемых измерительных комплексов заключаются в следующем:
• для работы с прибором от пользователя не требуется специальной подготовки. После соединения датчика с измерительным блоком, датчик автоматически распознается программой и прибор готов к работе в качестве измерителя конкретной физической величины: температуры, давления, влажности, освещенности и т.д.;
• результаты измерения обрабатываются программой и выводятся в цифровом формате с учетом размерности в единицах измерения конкретной физической величины — вольты, градусы, килобары и т.д.;
• приборы просты в изготовлении, имеют минимум электронных компонентов (в пределе — одна микросхема, которая интегрирует в себе основные измерительные узлы) и, как следствие, невысокую стоимость, что является экономическим обоснованием проекта;
• работа измерительного прибора полностью определяется программой, которую можно изменять и совершенствовать;
• измерительный блок имеет малые габариты и современный дизайн оформления, удовлетворяет требованиям техники безопасности;
• измерительный прибор легко можно связать с персональным компьютером с помощью встроенного последовательного интерфейса, далее полученные данные обработать мощными статистическими и математическими программами.
Серия приборов САР1 включает три измерительных комплекса, имеющих общую структуру построения основных электронных компонентов и одинаковый измерительный интерфейс. Это позволяет использовать одинаковые датчики и измерительные преобразователи с разными приборами серии. Каждый прибор серии выполняет свой круг научно-измерительных задач.
САР1-ВАЯЕ. Самый простой цифровой измерительный прибор, к которому можно подключить только один измерительный датчик, не имеет интерфейса с персональным компьютером. В зависимости от
подключенного датчика СЛР1-ВАЯЕ может выполнять функции цифрового барометра, термометра, гигрометра, анеометра, фотометра и т.д. Датчики автоматически распознаются прибором, программа обработки сигнала выводит на яркий жидкокристаллический индикатор результаты измерения в соответствующих физической величине единицах измерения. Прибор оснащен автономным источником питания — аккумуляторной батареей.
СЛР1-ЬЛВ. Измерительный комплекс, предназначенный для проведения лабораторных исследований. Имеет набор кнопок управления и жидкокристаллический дисплей, на котором отображаются результаты измерения и настройки прибора. Имеет последовательный интерфейс для передачи данных в персональный компьютер. Может работать с двумя измерительными датчиками одновременно. Прибор может работать автономно и показывать данные на встроенном дисплее, а может накапливать данные в памяти или выполнять функции измерительного интерфейса, передавая данные в компьютер в реальном масштабе времени.
САР1-ЕСО. Современный переносной измерительный комплекс для проведения измерения физических параметров окружающей среды (рис. 1). Может использоваться проведения исследовательских проектов в области экологии. Предусмотрено подключение модуля космической навигации для точного определения места и времени измерения. Наличие GPS-модуля позволяет интегрировать физические измерения с геоинформационными системами. Прибор накапливает информацию об измерениях в памяти (до 1000 значений), которая затем может быть считана в персональный компьютер через последовательный СОМ-порт.
Основными обязательными компонентами всех измерительных приборов серии являются:
• однокристальная микроЭВМ, оснащенная измерительным интерфейсом — многоканальным АЦП, аналоговым компаратором, таймером-счетчиком (микроконтроллер семейства АТтеда);
• система вывода цифровой информации (жидкокристаллический символьный дисплей);
• система ручного управления и ввода информации (кнопки);
• встроенный стабилизированный блок питания датчиков и измерительных преобразователей ±15 В;
Рис. 2. Блок-схема программируемого измерительного комплекса CAPI-ECO
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
133
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
• блок питания (сетевой адаптер = 9 В).
Прочие электронные компоненты являются вспомогательными и необходимы для оптимизации работы основных узлов. Блок-схема прибора САР1-ЕСО приведена на рис. 2.
Практическое использование приборов серии САР1 не представляет трудностей для пользователя. Измерительный интерфейс устроен таким образом, что программа управления измерениями автоматически распознает датчик и определенным образом производит математическую обработку сигнала, выводя результат на индикатор в реальных единицах измерения конкретной физической величины. Таким образом, при использовании приборов САР1-ВАЯЕ, САР1^АВ пользователю нужно только подключить датчик к прибору и выбрать режим измерения. Работа с прибором САР1-ЕСО более сложна и требует изучения руководства пользователя.
Набор измерительных преобразователей и датчиков, которые используются с приборами серии САР1, определяется основными видами энергетических (физических) загрязнений. Последние делятся на:
— механические (шумы, вибрации, инфразвук, ультразвук);
— электромагнитные (электростатические, магнитостатические поля);
— радиационные (электромагнитные поля промышленной частоты, ИК- и УФ-излучение, СВЧ-из-лучение и излучение радиодиапазона, рентгеновское и гамма-излучение).
Кроме того, для правильной интерпретации измерений необходим непрерывный мониторинг основных термодинамических параметров окружающей среды — температуры, давления, влажности, скорости движения воздушных масс.
Современный уровень развития технологии позволяет использовать для измерения перечисленных параметров интегрированные датчики и измерительные преобразователи, выполненные таким образом, что они могут непосредственно подключаться к цифровым измерительным системам. При таком подходе аналоговая часть (усилитель, устройство выборки) яв-
ляется частью датчика, ее работа скрыта от пользователя. Большинство измерительных преобразователей выполнено из полупроводниковых материалов.
Единство конструктивных решений и стандартизация выходного сигнала современных датчиков позволяет решить проблему их подключения к цифровому измерительному прибору, который можно будет использовать для изучения физических параметров окружающей среды.
Использование многофункциональных измерительных комплексов на базе современных микроконтроллеров переведет экологические измерения на качественно новый уровень, позволит прослеживать и устанавливать связи между различными техногенными загрязнениями непосредственно на месте. А низкая себестоимость и простота конструкции приборов позволяет использовать их на всех уровнях системы образования, начиная с общеобразовательных школ и заканчивая высшими учебными заведениями.
Библиографический список
1. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учебное пособие. — М.: Высшая школа, 2001. — 357 с.
2. Мортон Дж. Микроконтроллеры А"та. Вводный курс. / Пер. с англ. — М.: Изд. дом «Додека-ХХ1», 2006. — 272 с.
3. Средства оснащения современного экологического практикума: Каталог-справочник / Сост. А.Г. Муравьев, Б.В. Смолев, А.А. Лавриненко; Под общ. ред. А.Г. Муравьева. — 4-е изд., доп. и перераб. — СПб.: Крисмас + , 2004. — 208 с.
ВАПНЯРЧУК Владимир Геннадьевич, аспирант кафедры теоретической физики, компьютерных методов физики.
ЛЕВЧЕНКО Евгений Юрьевич, кандидат физикоматематических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретической физики, компьютерных методов физики.
Дата поступления статьи в редакцию: 15.02.2008 г.
© Вапнярчук В.Г., Левченко Е.Ю.
Книжная полка
Николаева, Е. В. Физические основы получения информации: Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин [Текст] : учеб. пособие / Е. В. Николаева, В. В. Макаров. - Омск : ОмГТУ, 2007. - 96 с. : рис. - Библиогр.: с. 96.
В данном учебном пособии рассматриваются два раздела дисциплины: «Измерительные преобразователи» и «Принципы измерения физических величин».
В первом разделе пособия описываются наиболее распространенные виды преобразователей, применяемые в промышленности и приборостроении. Основное внимание уделяется принципам действия, характеристикам, особенностям построения, погрешностям, достоинствам и недостаткам измерительных преобразователей.
Во втором разделе пособия изучаются принципы измерения наиболее встречающихся величин, в основном неэлектрических.
По вопросам приобретения - (3812) 65-23-69 E mail: libdirector@ omgtu.ru.
