ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ
MEASURING MODULE

Изобретение относится к области учебного оборудования и касается конструкции измерительных модулей, например с сенсором электропроводности, применяемых в системах средств обучения, в том числе, при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях, а также при проведении исследовательских работ, оно может быть использовано при изучении физики, акустики, механики, термодинамики, электроники и других учебных дисциплин.
Из области техники известно устройство для исследования закона сохранения кинетического момента механической системы, содержащее основание, установленную в основании с возможностью вращения вокруг вертикальной оси симметричную рамку с вертикальными стойками и механизм создания кинетического момента, включающий в себя тело вращения, установленное в корпусе, который посредством горизонтальных полуосей шарнирно закреплен в вертикальных стойках рамки, электродвигатель, датчики угловых скоростей с блоком питания датчиков и электродвигателя, блок регистрации и обработки сигналов датчиков, в качестве блока регистрации и обработки сигналов датчиков применен персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем (см. патент на полезную модель RU №183308, Кл. G09B 23/10, оп. в 2018 г.). Данное устройство смонтировано на основании - платформе с вертикальными стойками и снабжено электродвигателем, датчиками угловых скоростей, блоком обработки данных с возможностью подключения к компьютеру. Это устройство обеспечивает регистрацию угловых скоростей посредством датчиков и количественного сравнения результатов экспериментов с теоретическими расчетами, однако оно не предназначено для исследовательских работ.
Известен герконовый датчик к комплекту для демонстрации законов механики, включающий корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с магнитной полосой, закрепляемой на несущей скамье, входящей в состав комплекта, и расположенный внутри корпуса геркон, при этом корпус герконового датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит и которая выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи комплекта при установке его на упомянутой магнитной полосе, и из несущей части в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении, замкнутая внутренняя осевая полость которой служит для размещения геркона, а несущая часть в поперечном сечении имеет конфигурацию, при которой обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части (см. патент на изобретение RU №2460146, Кл. G09B 23/06, оп. в 2012 г.). Этот датчик имеет достаточно узкую сферу применения.
Известен датчик (измерительный модуль), включающий разъемный корпус, в котором установлена электронная плата, чувствительный элемент, установленный в специальном отверстии корпуса и связанный с электронной платой, при этом корпус имеет разъем для соединения с интерфейсным кабелем компьютера, отверстие с гайкой для крепления корпуса и магнитную полосу на его нижней плоскости (см. патент на полезную модель RU №93565, кл. G09B 23/00, оп.в 2010 году). Корпус такого датчика (измерительного модуля) является удобным для размещения в нем чувствительного элемента и проведения разных измерений. Однако в современных условиях проведение лабораторных работ предполагает использование измерительного модуля в системах управления измерениями, что не предусмотрено в известном датчике.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является измерительный модуль, включающий снабженный отверстием корпус, в котором расположена снабженная соединительным проводом печатная плата, на которой смонтированы электронные компоненты, при этом корпус состоит из основания и крышки, причем основание корпуса выполнено плоским, а его наружная поверхность снабжена магнитной пластиной, а на внутренней поверхности по контуру выполнен направляющий элемент, и закреплены ложементы для источников питания, а между ложементами выполнены с резьбовым осевым отверстием трубчатые стойки, на которых закреплена печатная плата, соединительные провода которой соединены с входным разъемом и/или чувствительным измерительным элементом, фиксируемым в ложементе фиксатора, закрепленного на основании, печатная плата включает порт для подключения к компьютеру, при этом крышка выполнена двояковыпуклой и состоит из двух частей, носовой и взаимодействующей по линии разъема основной части, причем носовая часть снабжена не менее чем одним окном, для выхода чувствительного элемента и/или входного разъема, а по контуру основания носовой части крышки выполнен направляющий элемент, а внутри основной части крышки выполнены упоры-фиксаторы, прижимающие источники питания, а в задней зоне основной части крышки выполнено окно для соединения порта с USB компьютера, причем контур основной части крышки снабжен направляющим элементом, взаимодействующим с опорным элементом носовой части крышки и направляющим элементом плоского основания (см. патент RU №2570216, кл. G12B 9/02, оп. в 2015 году).
Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства не предназначены для решения исследовательских задач, они не дают возможности управления процессом исследования и изменения условий исследования. В них остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения физики, механики и электроники на одной универсальной базе. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в измерительном модуле, содержащем разъемный корпус с элементами фиксации, расположенной в нем печатной платой с микроконтроллером, отверстием в корпусе с размещенным в нем сенсором, связанным с микроконтроллером, и другим отверстием в корпусе с размещенным в нем USB разъемом, связанным с микроконтроллером, корпус снабжен дополнительным отверстием, а сенсор выполнен в виде щупа с двумя электродами на проводе, припаянном к печатной плате, при этом печатная плата снабжена фильтром и усилителями, расположенными между сенсором и микроконтроллером, а измерительный модуль снабжен аналоговым (IDC) разъемом для подключения к плате открытой архитектуры, размещенным в дополнительном отверстии корпуса.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема управления измерительного модуля с сенсором электропроводности. На фиг. 2 - то же, внешний вид измерительного модуля с сенсором электропроводности, с приподнятой крышкой, вид в изометрии. На фиг. 3 изображена система управления измерениями с измерительным модулем, условно подключенным к исследовательскому оборудованию.
Изображенный на фиг. 1 и 2 измерительный модуль предназначен для проведения различных измерений, например электропроводности, но при этом имеет возможность, благодаря подключению к системе управления измерениями, быть использован в учебном или исследовательском оборудовании с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме.
Измерительный модуль, представленный на фиг. 1 и 2, содержит разъемный корпус 1, состоящий из основания 2 и крышки 3 с разными элементами фиксации. Корпус 1 содержит гайку в гнезде (на рисунке не показано) основания 2, предназначенную для установки оси крепления модуля в штативе (на рисунке не показано). Внутри основания 2 размещена печатная плата 6 с микроконтроллером 7, включающим аналогово-цифровой преобразователь 8, блок 9 математической обработки, блок 10 калибровки, блок 11 преобразователя USB. На корпусе 1 имеются отверстие 12 для установки USB разъема 13, связанного с блоком 11 микроконтроллера 7, и дополнительное отверстие 14 с аналоговым (IDC) разъемом 15 для подключения к внешним устройствам, например, плате 16 открытой архитектуры (см. фиг. 3), связанным с микроконтроллером 7. Также корпус 1 оснащен отверстием 17 для вывода сенсора 18 электропроводности, включающего щуп 19 с двумя электродами 20 и кабель 21. Сенсор 18 подключен к печатной плате 6 с фильтром 22 и усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 18 и микроконтроллером 7. USB разъем 13 предназначен для подключения к внешним устройствам, например к компьютеру 25. В измерительном модуле предусмотрено использование блока радиоканала 26 (см. фиг. 3). На внешней стороне основания 2 корпуса 1 может быть расположена магнитная полоса (на рисунке не показано) для прикрепления к металлическим и намагниченным поверхностям.
Встроенный в систему управления измерениями измерительный модуль используют следующим образом. Щуп 19 погружают в сосуд, например, цилиндр, (на рисунке не показано) с измеряемой жидкостью. На электроды 20 подают переменное напряжение. В зависимости от проводимости исследуемой среды между двумя электродами 20, получают сигнал прямо пропорциональный проводимости жидкости. Сигнал усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в микроконтроллер 7. Оцифрованный сигнал попадает через USB разъем 13 к компьютеру 25 и через аналоговый (IDC) разъем 15 к плате 16 открытой архитектуры. Плата 16 открытой архитектуры связана с электродвигателем 28. На плату 16 открытой архитектуры системы управления измерениями через аналоговый (IDC) разъем 15 подают сигнал от сенсора 18. Электродвигателем 28 двигают поршень цилиндра (на рисунке не показано) с жидкостью, имеющий иные показатели электропроводности. Противоположный конец цилиндра связан с сосудом, наполненным измеряемой жидкостью. Двигая поршень, впрыскивают жидкость, находящуюся в цилиндре, в сосуд. В сосуде начинает изменяться показатель электропроводности. Сигнал от сенсора 18 об измененных показателях электропроводности попадает на компьютер 25 и на плату 16 открытой архитектуры. Имея обратную связь с результатами изменения исследуемой среды, можно продолжать движение поршня в цилиндре и получать на мониторе компьютера 25 разные значения в экстремумах, а также изучать зависимость изменения электропроводности от подачи разных жидкостей.
Такое оборудование может быть использовано в наборе-конструкторе для изучения электроники, физики и механики, а также для проведения различных исследований, объединяя в себе задачи по механической сборке корпусных элементов, монтажу электрических схем, с использованием модулей для измерения различных показателей, цифровой обработки их сигналов, взаимодействию различных элементов комплекта посредством проводного протокола, а также взаимодействия комплекта в целом с системой управления измерениями.
Исследовательское оборудование можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Плата 16 открытой архитектуры обеспечивает управление электродвигателем 28 (или другим исполнительным устройством) для получения различных показателей с использованием вышеописанных измерительных модулей, оснащенных аналоговыми (IDC) разъемами 15 и USB разъемами 13. Благодаря наличию этих разъемов в измерительных модулях и возможности подключения к системе управления измерениями, школьники, студенты и исследователи имеют средства для перехода на новый уровень проведения экспериментов и различных демонстраций - это интерактивное изменение условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.