ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ СТЕНДЫ:
цели создания, назначение, дополнительные возможности
Основная цель - создание виртуальных лабораторных стендов (тренажеров) для технических и технологических специальностей средних специальных и высших учебных заведений.
Стенды созданы на базе персональных компьютеров, с использования результатов научных исследований и методов математического моделирования процессов в термодинамике, теплотехнике, при тепломассообмене, позволяющих воспроизводить изучаемые процессы с достаточной степенью приближения к реальным условиям их протекания, а также анализировать их в широком диапазоне переменных условий.
Стенды предназначены для:
обучения студентов технических и технологических специальностей по программам соответствующих дисциплин учебных планов;
проведения студентами учебно-исследовательских работ;
проведения занятий, как в лабораториях учебного заведения, так и дистанционно с использованием технологий Интернета.
Информационно-моделирующая система "Виртуальные лабораторные стенды" ("Lab Works") представляет собой программно-аппаратный комплекс (программное обеспечение и компьютер для его реализации) и состоит из:
рабочего места преподавателя;
рабочего места обучаемого;
сервера системы - базы данных;
дистанционного рабочего места.
Система содержит виртуальные стенды, которые являются аналогами реальных лабораторных установок.
Программное обеспечение виртуальных лабораторных стендов состоит из: математической модели, описывающей процессы, происходящие в лабораторной установке; визуального отображения элементов, связей и состояния лабораторной установки и элементов управления ею. При этом также отображаются и визуальные анимированные эффекты: кипение, горение, испарение и т.д.
Управление лабораторными стендами (пуск, стоп, пауза, изменение режима работы и т.д.) осуществляется виртуальными органами управления, визуально повторяющими реальные: контрольно-измерительные приборы, оборудование и т.п.
Рабочее место преподавателя позволяет назначать/останавливать лабораторные работы на рабочих местах студентов, задавать начальные параметры, просматривать ход и результаты выполнения лабораторных работ, анализировать статистику по студентам и по работам.
Рабочее место студента позволяет запускать виртуальные лабораторные стенды и выполнять работы в соответствии с заданием преподавателя и методическими указаниями. Стенды могут поставляться в комплектации рабочих мест студентов от 1 до 32.
Важной особенностью разработанной системы является возможность работы в дистанционном режиме. В этом режиме использования стенда преподаватель формирует пакет с заданием и пересылает его по электронной почте для каждого студента (или группы студентов). Студенты дистанционно, находясь в любой точке мира, имея подключение к Интернету, выполняют лабораторные работы, и результаты в электронном виде отправляют преподавателю для контроля и учета. Результаты выполнения работы могут быть представлены в виде таблиц или графических материалов, дополненные необходимыми пояснениями.
ТЕРМОДИНАМИКА
(лабораторные работы)
|
1. Газовые законы. Тарировка газового термометра.
Моделируемые условия: цилиндр с поршнем заключены в термостатированный резервуар. Посредством штока и реверсивного шагового привода поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом, отображающим текущий объем под поршнем.
Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами, настроенными на поддержание низкой и высокой температуры. Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем, осуществляется краном. Каждый термостат имеет собственный пульт управления. Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служат краны. Узел откачки газа состоит из форвакуумного насоса, ресивера-маслоотделителя, кранов. Включение насоса осуществляется с пульта. Для контроля давления в части работы "Газовые законы" служит мановакуумметр. Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой. Для выполнения "Тарировки газового термометра" к внутреннему объему цилиндра через кран подключается жидкостный (ртутный) "U"-образный абсолютный манометр с заглушенной правой трубкой, колена которого соединены гибким шлангом.
2. Цикл тепловой машины (прямой и обратный).
Моделируемые условия: аналогичной 1-ой работе стенд содержит Термостатированный резервуар, с заключенным в нем цилиндром с поршнем. Для контроля давления служит мановакуумметр. Прибор постоянно подключен к внутреннему объему цилиндра магистралью. Показания приборов - относительно атмосферного давления.
3. Диаграммы состояния реального газа (изучение кривой Ван-дер-Ваальса).
4. Определение "точки росы" при различной абсолютной влажности.
5. Определение теплоты испарения жидкости по давлению насыщенных паров.
Моделируемые условия: аналогичной 1-ой работе стенд содержит Термостатированный резервуар, с заключенным в нем цилиндром с поршнем, мановакуумметр, термопары, Систему откачки цилиндра. Также, стенд содержит термостаты, которые поддерживают температуру прокачиваемой воды. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служат краны:
соединение внутреннего объема цилиндра с атмосферой;
подключение к магистрали баллона, содержащего углекислый газ. Давление подаваемого газа задается редуктором, который управляется с пульта.
кран-дозатор для подачи во внутренний объем цилиндра заданного количества жидкости (вода). Кран имеет 4 положения.
6. Определение теплоемкости твердого тела.
Моделируемые условия: заданный преподавателем образец (кирпич, железный брусок, латунный брусок) помещается в печь, где происходит его нагревание. Нагрев печи осуществляется нагревательным элементом, питание на который подается с регулируемого блока питания. Температура внутри печи измеряется термопарой, индикация - цифровым термометром. Для равномерного прогрева внутри печи расположен вентилятор с электродвигателем, включаемый с пульта.
7. Определение теплоемкости газа методом проточного нагрева
Моделируемые условия: газ пропускается через нагревающуюся трубку. В модели фиксируется температура газа на входе в трубку и на выходе из нее. Температура нагревателя известна. В трубку студент может запускать воздух или углекислый газ. Студент может изменить скорость прохождения газа и напряжение на нагревательном элементе.
8. Определение показателя адиабаты γ=Сp/Cv при адиабатическом расширении газа.
Моделируемые условия: через пробку толстостенного стеклянного сосуда проходят две трубки. Первая, диаметром 1 см, снабжена краном. Вторая, соединяет внутренний объем сосуда с манометром и краном, через который из баллона в систему может подаваться сжатый воздух. Кран соединяет внутренний объем сосуда с атмосферой. U-образный масляный барометр содержит два колена. Для считывания показаний высота жидкости в коленах манометра отображается на табло.
9. Определение показателя адиабаты γ=Сp/Cv по скорости звука в воздухе.
Моделируемые условия: герметичная труба снабжена водяной рубашкой для поддержания заданной температуры газа во внутреннем объеме. Для заполнения внутреннего объема газом, а также для подключения манометра служит магистраль. Излучающий капсуль подключен к генератору НЧ.
Микрофон подключен к вольтметру переменного тока. Баллоны - углекислый газ и воздух, оснащенные редукторами и краном для подачи газа во внутренний объем сосуда. Система откачки служит для очищения внутреннего объема перед сменой газа.
Узел откачки газа состоит из форвакуумного насоса, ресивера-маслоотделителя, кранов. Включение насоса осуществляется с пульта. Контроль давления при откачке осуществляется мановакуумметром.
10. Определение коэффициента термического расширения (линейного) твердого тела.
Моделируемые условия: проволока из исследуемого материала, натянута внутри теплоизоляционной трубки. Верхний конец проволоки закреплен на штативе, нижний конец - на поводке микрометра-индикатора. Для поддержания проволоки в натянутом состоянии снизу к поводку микрометра-индикатора прикреплен груз. Сверху и снизу к проволоке подведены провода, по которым проводится ток для неё. Модель фиксирует подаваемое напряжение, силу тока, показания вольтметров, установленных на контрольном сопротивлении и на исследуемой проволоке.
11. Определение коэффициента термического расширения (объемного) жидкости.
Моделируемые условия: кварцевый сосуд заполнен исследуемой жидкостью. Из сосуда выходит прозрачная трубка, служащая для измерения объема вытесненной жидкости. Сосуд полностью погружен в воду, температура которой задается термостатом. Для контроля температуры служит термопара. Изначально термостат заполнен льдом, но постепенно его температура поднимается до заданной.
ТЕПЛОМАССООБМЕН
(лабораторные работы)
|
12. Исследование эффекта Джоуля-Томпсона при адиабатическом истечении газа (углекислый газ).
Моделируемые условия: постоянная температура в термостатированном объеме поддерживается термостатом.
Температура внутри объема измеряется термопарой. Трубка содержит микропористую перегородку, через которую происходит дросселирование газа. Трубка заключена в теплоизоляционную защиту, обеспечивающую адиабатное истечение газа. Температура до и после перегородки измеряется термопарами. Змеевик, погруженный в термостат, обеспечивает подогрев газа, поступающего из баллона до заданной температуры. Магистраль, подводящая газ к системе, также служит для подключения контрольного манометра. Кран и редуктор служат для подачи газа от баллона в систему при заданном давлении.
13. Исследование диффузии газов.
Моделируемые условия: колбы соединены с трубкой, которая может перекрываться краном. В колбах установлены датчики теплопроводности. Через краны колбы подсоединены к магистрали. Основная магистраль обеспечивает заправку колб газом, а также откачку газа из них. Краны служат для подключения к магистрали соответствующей колбы. Постоянно к магистрали подключен вакуумметр и жидкостный (масляный) манометр. Также к магистрали подключены дозирующие системы и форвакуумный насос.
14. Исследование нестационарного теплопотока (тепловых волн).
Моделируемые условия: металлический брусок заключен в теплоизоляционное покрытие. По всей длине бруска равномерно расположены термопары, подключенные к 10-канальному регистратору. Концы бруска помещены в резервуары, по которым циркулирует вода из термостата. Температура установки, фиксированная термостатом, -50 °С. Правый конец бруска для улучшения теплоотвода оребрен, левый находится в соприкосновении с плоскостью элемента Пельтъе, который позволяет менять температуру левой границы бруска относительно температуры жидкости в емкости. Модель отображает температуру бруска в пяти точках.
15. Определение излучательной способности твердого тела.
Моделируемые условия: внутри электропечи находится образец, фактическая температура которого измеряется термопарой и отображается на индикаторе.
16. Исследование работы трубчатого теплообменника.
Моделируемые условия: трубчатый теплообменник состоит из внутренней и наружной труб. Внутренняя труба является нагревателем, наружная - теплоприемником. Материал внутренней трубы - медь. Наружная труба считается теплоизолированной. Температуры втекающей/вытекающей воды измеряются термопарами. Термостат обеспечивает подачу на вход нагревателя воды с температурой, заданной на блоке управления. Многоканальный регистратор позволяет через заданный интервал времени запоминать значения температур в 10 точках.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
(лабораторные работы)
|
17. Определение теплопроводности газов методом нагретой нити.
Моделируемые условия: труба с коаксиально расположенной тонкостенной медной трубкой. Трубка изолирована от цилиндра кольцевыми пробками, которые одновременно герметизируют внутреннее пространство между стенками. По трубкам через внутреннее пространство цилиндра циркулирует вода из термостата, задающая температуру трубки. Между шайбами внутри медной трубки натянута тонкая вольфрамовая проволока, подключенная к источнику постоянного тока через эталонное сопротивление. Проволока и эталонное сопротивление образуют правое плечо измерительного моста. Левое плечо моста образуют магазин сопротивлений и нагрузочное сопротивление. Баланс моста контролируется гальванометром.
18. Определение теплопроводности твердого тела (пластина).
Моделируемые условия: установка состоит из пластин, зажатых между нагревателем и холодильником. Пластина изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина - из исследуемого материала. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста. Нагреватель подключен к регулируемому источнику питания, управление которым осуществляется с пульта. Холодильник представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры. Поверхностей пластин измеряется термопарами, зажатыми между пластинами. Работа может выполняться в двух вариантах. Первый вариант - измеряется коэффициент теплопроводности металлов, второй вариант - измеряется коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов.
19. Исследование конвекционной теплоотдачи при естественной конвекции вдоль горизонтального цилиндра.
Моделируемые условия: Установка состоит из длинной толстостенной металлической трубы, внутри которой находится нагревательная спираль, подключенная к источнику питания. Для контроля температуры наружной поверхности трубы служат термопары, подключенные к многоканальному регистратору. В работе используется две трубы с разной степенью черноты поверхности. Нагреватель подключен к регулируемому источнику питания, управление которым осуществляется с пульта. Температура окружающего воздуха измеряется термопарой.
20. Исследование конвекционной теплоотдачи при принудительном движении газа внутри нагретой трубы.
Моделируемые условия: Установка состоит из длинной толстостенной металлической трубы, находящейся внутри печи, в которой находится нагревательная спираль, подключенная к источнику питания. Для контроля температуры трубы служат термопары, подключенные к многоканальному регистратору. Движение воздуха внутри трубы обеспечивается компрессором, снабженным регулятором напора. Нагреватель подключен к регулируемому источнику питания. Температура воздуха на входе/выходе в трубу измеряется термопарой.
БАЗОВАЯ ПОСТАВКА
ПО "Виртуальные лабораторные стенды" в составе:
Рабочее место преподавателя - 1 шт.
Рабочее место обучаемого - 5 шт.
Виртуальный стенд - 5 шт. (по выбору Заказчика).
Техническое руководство.
Руководство преподавателя.
Дополнительные опции для базовой поставки:
Набор дополнительных рабочих мест обучаемого №1 (включает лицензию на 5 рабочих мест обучаемого).
Набор дополнительных рабочих мест обучаемого №2 (включает лицензию на 10 рабочих мест обучаемого).
Набор дополнительных виртуальных стендов №1 (включает лицензию на 5 дополнительных виртуальных стендов по выбору Заказчика).
Набор дополнительных виртуальных стендов №2 (включает лицензию на 10 дополнительных виртуальных стендов по выбору Заказчика).
Дополнительные модули:
Дистанционное обучение (включает лицензию на модуль дистанционного обучения и 10 удаленных рабочих мест обучаемого).
Дополнительные опции для модуля дистанционного обучения:
Набор удаленных рабочих мест обучаемого №1 (включает лицензию на 10 рабочих мест обучаемого).
Набор удаленных рабочих мест обучаемого №2 (включает лицензию на 20 рабочих мест обучаемого).
Набор удаленных рабочих мест обучаемого №3 (включает лицензию на 50 рабочих мест обучаемого).
Набор удаленных рабочих мест обучаемого №4 (включает лицензию на 100 рабочих мест обучаемого).
Набор удаленных рабочих мест обучаемого №5 (включает лицензию на 200 рабочих мест обучаемого).
Дополнительная документация:
Техническое руководство.
Руководство преподавателя.
Дополнительно:
Разработка новых виртуальных стендов.
