RU2756082C1

RU2756082C1 - Measuring module for measuring the magnetic field

Info

Publication number: RU2756082C1
Application number: RU2021103490A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Поваляев
Original assignee: Олег Александрович Поваляев
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2021-09-27

Abstract

FIELD: educational equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of educational equipment, concerns the design of measuring modules for measuring the induction of a magnetic field used in systems of teaching aids, during laboratory work with a measurement control system in educational institutions. The measuring module for measuring the magnetic field contains a detachable housing with fixing elements, a printed circuit board with a microcontroller located in it, a hole in the housing with a sensor located in it connected to the microcontroller, and another hole in the housing with a USB connector located in it connected to the microcontroller, in which the housing is equipped with an additional hole, the sensor is made in the form of a Hall device. In this case, the printed circuit board is equipped with amplifiers located between the sensor and the microcontroller, and the measuring module is equipped with an analog (IDC) connector for connecting to an open architecture board located in an additional hole in the housing.

EFFECT: increase in the versatility and multifunctionality of the measuring module with the possibility of conducting various demonstrations and changing the conditions for carrying out experiments when visualizing the results obtained.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области учебного оборудования и касается конструкции измерительных модулей, например магнитного поля, 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.The invention relates to the field of educational equipment and relates to the design of measuring modules, such as a magnetic field, used in systems of teaching aids, including when carrying out laboratory work with a measurement control system in secondary and higher educational institutions, as well as when carrying out research work, it can be used in the study of physics, acoustics, mechanics, thermodynamics, electronics and other academic disciplines.

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.A device for studying the law of conservation of the angular momentum of a mechanical system is known from the field of technology, comprising a base installed in the base with the possibility of rotation about a vertical axis, a symmetrical frame with vertical struts and a mechanism for creating a angular momentum, including a body of rotation installed in the housing, which is the semiaxis is hinged in the vertical struts of the frame, an electric motor, angular velocity sensors with a power supply unit for sensors and an electric motor, a unit for recording and processing sensor signals; as a unit for recording and processing sensor signals, a personal computer with an analog-to-digital converter is used (see patent for a useful model RU No. 183308, CL G09B 23/10, op. In 2018). This device is mounted on a base - a platform with vertical posts and is equipped with an electric motor, angular rate sensors, a data processing unit with the ability to connect to a computer. This device provides registration of angular velocities by means of sensors and quantitative comparison of experimental results with theoretical calculations, however, it is not intended for research work.

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.There is a known reed switch for a set for demonstrating the laws of mechanics, which includes a housing with a magnet serving to interact with a magnetic strip fixed on a carrier bench, which is part of the set, and located inside the housing a reed switch, while the housing of the reed switch consists of a supporting part, on which the said magnet is fixed and which is configured to ensure stable positioning of the sensor relative to the mechanical bench of the set when it is installed on the said magnetic strip, and from the carrier part in the form of a capsule, elongated in the axial direction, the closed inner axial cavity of which serves to accommodate the reed switch, and the carrier part in cross-section has a configuration that provides the possibility of stable operation of the reed switch when the initiating magnet is located from any point of the perimeter of the carrying part (see patent for invention RU No. 2460146, CL. G09B 23/06, op. in 2012). This sensor has a fairly narrow scope.

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.Known sensor (measuring module), including a split case, in which an electronic board is installed, a sensing element installed in a special hole in the case and connected to the electronic board, while the case has a connector for connecting to a computer interface cable, a hole with a nut for fixing the case and a magnetic stripe on its lower plane (see patent for a useful model RU No. 93565, class G09B 23/00, op. in 2010). The housing of such a sensor (measuring module) is convenient for placing a sensitive element in it and carrying out various measurements. However, in modern conditions, laboratory work involves the use of a measuring module in measurement control systems, which is not provided for in the known sensor.

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).The closest to the claimed technical solution is a measuring module, which includes a housing provided with a hole, in which a printed circuit board equipped with a connecting wire is located, on which electronic components are mounted, while the housing consists of a base and a cover, and the base of the housing is made flat, and its outer surface is provided a magnetic plate, and on the inner surface along the contour a guide element is made, and the lodgements for the power supplies are fixed, and between the lodgements there are tubular posts with a threaded axial hole, on which a printed circuit board is fixed, the connecting wires of which are connected to the input connector and / or a sensitive measuring element fixed in the latch of the latch fixed on the base, the printed circuit board includes a port for connecting to a computer, while the lid is biconvex and consists of two parts, a bow and interacting along the parting line of the main part, and the bow hour is equipped with at least one window for the output of the sensitive element and / or the input connector, and along the contour of the base of the nose part of the lid, a guide element is made, and inside the main part of the lid there are stops-locks pressing the power supplies, and in the rear zone of the main part of the lid a window is made for connecting the port to a USB computer, and the contour of the main part of the lid is equipped with a guiding element interacting with the supporting element of the nose of the lid and the guiding element of the flat base (see. patent RU No. 2570216, cl. G12B 9/02, op. in 2015).

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.The technical problem lies in the fact that the described devices are not intended for solving research problems, they do not provide the ability to control the research process and change the research conditions. In them, the problem of combining the issues of the simultaneous study of physics, mechanics and electronics on one universal basis remains unresolved. The solution to this problem should not be limited only by the possibility of training, it should make it possible to conduct various demonstrations and set up experiments.

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.The present invention is aimed at solving the technical problem of increasing the versatility and multifunctionality of the measuring module with the ability to conduct various demonstrations and change the conditions for conducting experiments and experiments when visualizing the results obtained.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в измерительном модуле для измерения магнитного поля, 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 датчика Холла, при этом печатная плата снабжена усилителями, расположенными между сенсором и микроконтроллером, а измерительный модуль снабжен аналоговым (IDC) разъемом для подключения к плате открытой архитектуры, размещенным в дополнительном отверстии корпуса.The solution to this technical problem is achieved due to the fact that in the measuring module for measuring the magnetic field, containing a split case with fixing elements, a printed circuit board with a microcontroller located in it, a hole in the case with a sensor located in it connected to the microcontroller, and another hole in the case with a USB connector located in it connected to the microcontroller, the case is equipped with an additional hole, and the sensor is made in the form of a Hall sensor, while the printed circuit board is equipped with amplifiers located between the sensor and the microcontroller, and the measuring module is equipped with an analog (IDC) connector for connecting to open architecture board located in an additional hole in the case.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображена схема управления измерительного модуля магнитного поля. На фиг. 2 - то же, внешний вид в сборе измерительного модуля магнитного поля. На фиг. 3 изображена система управления измерениями с измерительным модулем, условно подключенным к исследовательскому оборудованию.FIG. 1 shows the control circuit of the magnetic field measuring module. FIG. 2 - the same, complete appearance of the magnetic field measuring module. FIG. 3 shows a measurement control system with a measuring module conventionally connected to research equipment.

Изображенный на фиг. 1 и 2 измерительный модуль может быть использован для изучения индукции магнитного поля, но при этом имеет возможность, благодаря подключению к системе управления измерениями, использоваться в учебном или исследовательском оборудовании с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме.Shown in FIG. 1 and 2, the measuring module can be used to study the magnetic field induction, but at the same time it has the ability, due to the connection to the measurement control system, to be used in educational or research equipment with controlled elements, as well as for conducting classes in an interactive mode.

Измерительный модуль для измерения магнитного поля, 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 (на рисунке не показано) 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. В измерительном модуле предусмотрено использование блока радиоканала (на рисунке не показано). 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 магнитного поля, включающего чувствительный элемент, выполненный в виде датчика 19 Холла. Сенсор 18 подключен к печатной плате 6 с усилителями 20 и 21, 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.The measuring module for measuring the magnetic field shown in FIG. 1 and 2, contains a split body 1, consisting of a base 2 and a cover 3 with different fixing elements. The housing 1 contains a nut (not shown in the figure) in the socket (not shown in the figure) of the base 2, designed to install the module mounting axis in a tripod (not shown in the figure). Inside the base 2 is a printed circuit board 6 with a microcontroller 7, which includes an analog-to-digital converter 8, a mathematical processing unit 9, a calibration unit 10, and a USB converter unit 11. The measuring module provides for the use of a radio channel unit (not shown in the figure). On the housing 1 there is a hole 12 for installing a USB connector 13 connected to the unit 11 of the microcontroller 7, and an additional hole 14 with an analog (IDC) connector 15 for connecting to external devices, for example, an open architecture board 16 (see Fig. 3), associated with the microcontroller 7. Also, the housing 1 is equipped with an opening 17 for the output of the magnetic field sensor 18, which includes a sensitive element made in the form of a Hall sensor 19. The sensor 18 is connected to a printed circuit board 6 with amplifiers 20 and 21 located between the sensor 18 and the microcontroller 7. USB connector 13 is intended for connection to external devices, for example, to a computer 25. The measuring module provides for the use of a radio channel unit 26 (see Fig. 3 ). On the outside of the base 2 of the housing 1, a magnetic stripe (not shown) can be located for attachment to metal and magnetized surfaces.

Встроенный в систему управления измерениями измерительный модуль используют следующим образом. Сенсор 18 предназначен для измерения индукции магнитного поля. Когда его помещают в магнитное поле, то на выходе чувствительного элемента - датчика 19 Холла появляется постоянное напряжение, которое прямо пропорционально соответствующей составляющей вектора индукции магнитного поля. После прохождения сигнала через усилители 20 и 21 он 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. Сигнал блока радиоканала 26 можно подавать на разные внешние устройства, например, на мобильное устройство 27. 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 изменяют скорость вращения вала (на рисунке не показано). Сигнал от сенсора 18 об измененных показателях магнитного поля попадает на компьютер 25 и на плату 16 открытой архитектуры. Имея обратную связь с результатами измерения, можно дальше изменять скорость вращения вала и получать на мониторе компьютера 25 разные значения в экстремумах, а также изучать изменение индукции магнитного поля в зависимости от скорости вращения вала.The measuring module built into the measurement control system is used as follows. Sensor 18 is designed to measure the magnetic induction. When it is placed in a magnetic field, a constant voltage appears at the output of the sensitive element - Hall sensor 19, which is directly proportional to the corresponding component of the magnetic field induction vector. After passing the signal through the amplifiers 20 and 21, it enters the microcontroller 7. The digitized signal goes through the USB connector 13 to the computer 25 and through the analog (IDC) connector 15 to the board 16 of the open architecture. The signal of the radio channel unit 26 can be applied to various external devices, for example, to a mobile device 27. The open architecture board 16 is connected to the electric motor 28. The signal from the sensor 18 is fed to the open architecture board 16 of the measurement control system through the analog (IDC) connector 15. change the speed of rotation of the shaft (not shown in the figure). The signal from the sensor 18 about the changed values of the magnetic field goes to the computer 25 and to the board 16 of the open architecture. Having feedback with the measurement results, it is possible to further change the speed of rotation of the shaft and obtain on the computer monitor 25 different values at the extremes, as well as to study the change in the magnetic induction depending on the speed of rotation of the shaft.

Исследовательское оборудование, предназначенное для использования данного измерительного модуля, может быть различным. Конструкция измерительного модуля позволяет его применять в различных исследовательских схемах и управлять проведением исследований, изменяя исходные и выходные параметры. Исследовательское оборудование может иметь стойки с каретками, на которых можно располагать элементы воздействия на оборудование, связанные с системой управления измерениями (на рисунке не показано).The research equipment designed to use this measurement module may vary. The design of the measuring module allows it to be used in various research schemes and to control the research by changing the initial and output parameters. Research equipment can have carriage stands on which can be placed elements of action on the equipment associated with the measurement control system (not shown in the figure).

На отдельной площадке можно закреплять измерительные модули, связанные с системой управления измерениями.On a separate site, you can fix the measuring modules associated with the measurement control system.

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.Such equipment can be used in a kit-constructor for studying electronics, physics and mechanics, as well as for carrying out various studies, combining the tasks of mechanical assembly of body elements, installation of electrical circuits, using modules for measuring various indicators, digital processing of their signals , the interaction of various elements of the kit via a wired protocol, as well as the interaction of the kit as a whole with the measurement control system. The research equipment can be used in schools, secondary schools and high schools, as well as in conducting various scientific experiments. The open architecture board 16 provides control of the electric motor 28 (or other actuator) for obtaining various indicators using the above-described measuring modules equipped with analog (IDC) connectors 15 and USB connectors 13. Due to the presence of these connectors in the measuring modules and the ability to connect to the measurement control system , schoolchildren, students and researchers have the means to move to a new level of experiments and various demonstrations - this is an interactive change in the conditions for conducting experiments and experiments when visualizing the results obtained.

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.Thus, the technical result achieved with the use of the claimed invention is to increase the versatility and multifunctionality of the measuring module with the ability to conduct various demonstrations and change the conditions for conducting experiments and experiments when visualizing the results obtained.

Claims

A measuring module for measuring the magnetic field, containing a split case with fixing elements, a printed circuit board with a microcontroller located in it, a hole in the case with a sensor located in it connected to the microcontroller, and another hole in the case with a USB connector located in it connected to microcontroller, characterized in that the case is equipped with an additional hole, and the sensor is made in the form of a Hall sensor, while the printed circuit board is equipped with amplifiers located between the sensor and the microcontroller, and the measuring module is equipped with an analog (IDC) connector for connection to an open architecture board located in additional housing opening.