Ţ Ă Ţia a ii-a, bucureŞ instrumentaţie virtuală la “fun

CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005 109

Instrumentaţie virtuală la “Fun Science Club” Autori: Emilia Păuşan, profesor al Liceului Teoretic “Tudor Vladimirescu”, Bucureşti

Oana Burada, Ioan Ursu, Boloc Robert, Sergiu Zimbilschi, Cristian Drăghici, Adina Buzilă

elevi ai Liceului Teoretic “Tudor Vladimirescu”, Bucureşti, Andrei Bran, student I.M.S.T., Universitatea Politehnica Bucureşti

Abstract—“Fun Science Club” a fost înfiinţat în martie 2004, în Liceul Teoretic “Tudor Vladimirescu”. În prezent acest club s-a extins, prin filiale, în mai multe şcoli bucureştene, diversitatea temelor abordate şi a formelor de exprimare atrăgând un număr din ce în ce mai mare de elevi. În liceului nostru, liceu fondator al acestui club, s-a format un grup de elevi interesaţi de utilizarea sistemelor computerizate pentru efectuarea unor experimente reale de laborator. Vom prezenta în această lucrare astfel de experimente, vizând, pentru început, probleme clasice. Vor fi amintite de asemenea şi modalităţile prin care am încercat să promovăm, în cadrul şcolilor afiliate clubului, şi nu numai, utilizarea instrumentaţiei virtuale.

Cuvinte cheie—achiziţie computerizată, LabView, National Instruments, soft educaţional, NI-DAQ 6013.

—————————— ——————————

1 DE CE SCIENCE CLUB?

http://www.pss.ro/science_fun_club_romania/

Rapoarte europene anunţă direcţii importante de

dezvoltare, trecerea la o societate informaţională, dar menţionează şi necesitatea revitalizării interesului elevilor pentru studiul ştiinţelor. Nu poate fi proiectată tehnică de vârf fără să nu-ţi pui, în mod extrem de serios, următoarea problemă: cine o va folosi, dar şi cine o va dezvolta mâine?

Nu trebuie să uităm faptul că explozia informaţională creează chiar un stres, o presiune importantă. Pentru un tânăr în formare, dezvoltarea explozivă a reţelelor de calculatoare poate induce şi un anumit risc: izolarea de realitate în spatele unui display.

Pentru a minimaliza acest risc este importantă confruntarea permanentă dintre modele şi realitate, alături de confruntarea de păreri şi dialog. Este necesar ca cei care înţeleg procesul de transformare indus şi impus de societatea informaţională să îşi intensifice activitatea prin care poate fi structurat un mediu educaţional în care experienţa personală să fie precursoarea actului teoretic, abstract.

Iată de ce a fost propus acest club, fiind formulate următoarele obiectivele generale:

• revitalizarea interesului elevilor pentru studiul ştiinţelor;

• dezvoltarea creativităţii tehnice şi a inventivităţii elevilor;

• promovarea experimentului de laborator (real şi virtual);

• promovarea de activităţi interdisciplinare.

Vom prezenta în următoarele paragrafe ale acestei lucrări aspecte legate de utilizarea instrumentaţiei virtuale în clubul nostru, fiind însă important de precizat faptul că interesul pentru experimentul real de laborator, pentru diferite teme ştiinţifice, sunt exprimate la “Fun Science Club” în moduri diferite. Elevi de gimnaziu şi liceu, studenţi, profesori, cercetători, ne bucurăm să ne reîntâlnim în acest club, cu interes real pentru temele abordate în cadrul fiecărei activităţi.

Figura 1: Secvenţe din activităţi desfăşurate în cadrul clubului nostru

Menţionăm faptul că, alături de activităţi desfăşurate în fiecare dintre şcoli, au loc, lunar, întâlniri cu toţi membrii clubului. Până în prezent au fost organizate astfel de activităţi în Liceul Teoretic “Tudor Vladimirescu”, Liceul Economic “Costin C. Kiriţescu”, Liceul Bilingv “Decebal”, existând contribuţii importante ale următoarelor şcoli din Bucureşti: Colegiul Naţional Tehnic “Edmond Nicolau”, Colegiul Naţional de Informatică “Tudor Vianu”, Colegiul Naţional “I. L. Caragiale”, Colegiul Naţional “Sfântu Sava”, Colegiul Naţional “Elena Cuza”, Colegiului Tehnic Energetic, Grupului Şcolar “Doamna Stanca”, Liceul Teoretic “Marin Preda”, Şcoala Generală nr. 45 “Titu Maiorescu”, venind alături de noi şi Şcoala Generală nr. 6 “Şerban Cioculescu”din Găieşti, precum şi reprezentanţi ai Centrului pentru Studii Complexe. A fost important şi sprijinul acordat de Casa Corpului Didactic a Municipiului

http://www.pss.ro/science_fun_club_romania/

110 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005

Bucureşti, precum şi cel al unor inspectori ISMB (doamna profesoară Diana Melnic, doamna profesoară Livia Dinică).

Oferindu-vă cu această ocazie şi informaţii despre clubul nostru, dorim să-l amintim distinct pe cel care ne-a încurajat la fiecare întâlnire: dr. Dan Sporea, coordonatorul naţional al proiectului european Hands on Science.

Am considerat important să vă prezentăm câteva repere despre acest club, deoarece aici s-a format şi un grup de elevi şi profesori interesaţi de utilizarea instrumentaţiei virtuale. Pentru experimentele de laborator efectuate am utilizat un sistem computerizat echipat cu o placă de achiziţie NI DAQ 6013, oferită de Compania National Instruments Liceului Teoretic “Tudor Vladimirescu”, din Bucureşti.

2 EXPERIMENTE REALE DE LABORATOR REALIZATE ÎN CADRUL “FUN SCIENCE CLUB” FOLOSIND UN SISTEM COMPUTERIZAT ECHIPAT CU O PLACĂ DE ACHIZIŢIE NI DAQ 6013

Prezentăm în continuare câteva experimente simple, realizate pentru lecţii de mecanică, electrocinetică, pentru studiul comportării unor elemente de circuit în regim tranzitoriu, respectiv în curent alternativ, echipele de lucru fiind coordonate de doamna profesoară Emilia Păuşan.

2.1 Studiul mişcării rectilinii. Determinarea

coeficientului de frecare la alunecare Pentru realizarea acestui experiment au fost utilizate: • corpuri cu masa cunoscută; • scripete fix; • bobine; • magnet, prins de corpul lăsat să alunece pe o

suprafaţă orizontală; • sistem computerizat echipat cu o placă de achiziţie

NI DAQ 6013. În figura 2 este prezentat montajul experimental, în una

dintre cele mai simple forme de realizare a acestuia.

Principiul metodei şi modul de lucru Bobinele, conectate în paralel, au fost aliniate în lungul

direcţie de deplasare a magnetului. Fiind iniţiată o mişcare rectilinie uniform accelerată, în plan orizontal, viteza de variaţie a fluxul magnetic creşte, semnalul înregistrat

punând în evidenţă momentul trecerii magnetului prin dreptul fiecărei bobine.

Tensiunea electrică, măsurată la bornele circuitului (pe un canal al plăcii de achiziţie), este obţinută prin inducţie electromagnetică:

dtde Φ

−= (1)

Cunoscând coordonatele bobinelor şi determinând, prin analiză de semnal, momentul trecerii magnetului prin dreptul acestora, se obţine valoarea acceleraţiei sistemului de corpuri. Utilizând apoi principiul II al mecanicii newtoniene, după studiul sistemului de forţe, a fost dezvoltat algoritmul de calcul pentru obţinerea coeficientului de frecare la alunecare.

Prelucrarea datelor experimentale Pentru prelucrarea datelor înregistrate a fost utilizat

programul Excel, accesibil practic tuturor membrilor clubului, implicaţi în realizarea acestui experiment.

Figura 3: Schema de principiu a sistemului de corpuri a cărei

mişcare a fost monitorizată computerizat • A fost utilizată legea mişcării:

200 t

2atvxx ++= (2)

• Pentru calcularea coeficientului de frecare la alunecare a fost utilizată relaţia:

ga

mM1

mM

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−=µ (3)

În figura 4 este redată secvenţa principală din foaia de calcul tabelar, putându-se remarca câteva etape importante ale prelucrării: reconstituirea semnalului înregistrat pe baza datelor salvate în fişier, detectarea maximelor locale ale acestui semnal şi a momentelor de timp la care acestea au fost obţinute, reprezentarea acestei noi serii de date într-o diagramă de tip xy, adăugarea curbei de tendinţă (fiind obţinută astfel legea mişcării), determinarea valorii coeficientului de frecare la alunecare.

Figura 2: Montaj experimental utilizat pentru studiul mişcării rectilinii

Figura 4: Prelucrare datelor experimentale obţinute computerizat

E. PĂUŞAN, O. BURADA, I. URSU, R. BOLOC, S. ZIMBILSCHI, C. DRĂGHICI, A. BUZILĂ, A. BRAN: INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ LA "FUN SCIENCE CLUB" 111

2.2 Studiul căderii libere. Determinarea valorii acceleraţiei gravitaţionale

Componente ale montajului experimental (figura 5): • bobine, centrate în plan vertical; • sisteme de prindere; • magnet (lăsat să cadă liber prin sistemul de

bobine); • sistem pentru achiziţia de date, ce include o placă

PCI 6013. Experimentul realizat pentru determinarea valorii

acceleraţiei gravitaţionale, se bazează, ca şi cel descris anterior, pe fenomenul de inducţie electromagnetică.

Principiul metodei este acelaşi, mişcarea realizându-se însă în plan vertical (acceleraţia mişcării fiind acceleraţia gravitaţională).

Figura 5: Montaj experimental utilizat pentru determinarea valorii

acceleraţiei gravitaţionale

Procedând ca şi în cazul anterior, analiza semnalului obţinut a permis şi în acest caz determinarea legii de mişcare, obţinând pentru acceleraţia gravitaţională valori cuprinse între 9.71 – 10.03 m/s2.

Figura 6: Fişa realizată pentru prelucrarea datelor experimentale Metoda experimentală este simplă, fiind însă necesară

o bună proiectare a softului de achiziţie astfel încât semnalul înregistrat să evidenţieze cât mai clar procesele fizice, iar rezultatele obţinute în urma prelucrării datelor să fie cât mai bune.

2.2 Studiul circuitelor de curent continuu

Experimentele de electrocinetică pot fi efectuate cu relativă uşurinţă, utilizând, alături de un sistem computerizat de măsurare, componente clasice ale trusei de laborator.

Experimentul pe care îl vom descrie în continuare a fost realizat pentru determinarea caracteristicilor unei surse de tensiune continuă: tensiunea electromotoare (E), respectiv rezistenţa internă (r).

Componente ale montajului experimental: • rezistor, de rezistenţă electrică cunoscută; • baterie de lanternă; • întrerupător, fire conductoare; • sistem computerizat de măsurare, ce include o

placă de achiziţie PCI 6013.

Figura 7: Interfaţa softului de achiziţie utilizat pentru determinarea

caracteristicilor unei baterii de lanternă Principiul metodei şi modul de lucru Realizând un circuit electric simplu, se măsoară

tensiunea la bornele sursei: − cu circuitul electric deschis, valoarea indicată de

voltmetrul virtual ce măsoară tensiunea la bornele sursei reprezentând chiar t.e.m., E (Ub0 = E, I0 = 0);

− se închide apoi circuit electric şi se măsoară din nou tensiunea la bornele sursei (Ub1), citind totodată şi indicaţiile ampermetrului virtual (I1). Utilizând un sistem computerizat, pe unul dintre

canale se măsoară tensiunea la bornele sursei, iar pe un alt canal, tensiunea la bornele rezistorului din circuit. Valoarea intensităţii curentului electric este calculată folosind valoarea tensiunii de la bornele rezistorului şi valoarea rezistenţei electrice a acestuia.

=R

U 1bR

UR (4)

Relaţia de calcul pentru determinarea rezistenţei electrice interne a sursei este:

1

1b0b

1

1bI

UUIUE

r−

=−

= (5)


De ce am proiectat computerizat şi un experiment atât de simplu?

Primele elemente legate de achiziţia computerizată au fost prezentate prin propunerea unor astfel de experimente, fiind necesare informaţii privind posibilitatea de configurare a sistemului computerizat, acomodarea cu funcţii şi structuri LabVIEW, ajungând apoi la elemente puţin mai avansate de programare.

Figura 8: Diagrama softului de achiziţie realizat pentru

determinarea caracteristicilor unei baterii de lanternă

În comparaţie cu experimentul clasic de laborator, cel realizat cu instrumentaţie virtuală oferă următoarele avantaje: − posibilitatea de a schimba în modul dorit calibrul

instrumentelor de măsură, adaptând instrumentul virtual pentru condiţiile experimentale concrete;

− printr-un singur instrument virtual poate fi oferit utilizatorului şi varianta de tip analog, precum şi cea digitală, putând fi remarcat avantajul instrumentaţiei digitale;

− introducând în circuit, pe rând, rezistori cu valori diferite ale rezistenţei electrice, poate fi verificată şi legea lui Ohm pentru o porţiune de circuit, respectiv pentru un circuit electric simplu; totodată, poate fi trasată şi dreapta de sarcină a sursei, obţinând astfel valorile E, r prin prelucrarea grafică a datelor experimentale (fig. 9);

Figura 9: Prelucrarea grafică a datelor experimentale – dreapta de

sarcină a sursei

− softul de achiziţie oferă posibilitatea de a “memora” şi afişa tensiunea la bornele sursei atât pentru circuit deschis, cât şi pentru circuit închis, punând la dispoziţia utilizatorilor şi elemente de interfaţă pentru introducerea unor formule de calcul şi pentru evaluarea acestora (în vederea obţinerii rapide a soluţiei problemei experimentale propuse);

− posibilitatea de a comanda întrerupătorul virtual prin funcţionarea celui real, a fost un aspect de interes pentru membrii clubului, fiind identificată o soluţie simplă.

Astfel de experimente au fost realizate şi pentru studiul altor circuite de curent continuu, fiind verificate teoreme importante.

Figura 10: Soft de achiziţie utilizat pentru verificarea primei legi a lui

Kirchhoff

În figura 10 este prezentat softul de achiziţie realizat pentru verificarea primei legi a lui Kirchhoff, putând fi remarcate câteva elemente importante în structura sa:

- posibilitatea de înregistrare într-un tabel a seturilor de date alese de utilizator;

- posibilitatea de salvare într-un fişier a datelor înregistrate;

- posibilitatea generării unui raport în format HTML.

Aceste facilităţi au fost introduse în multe dintre softurile de achiziţie ce au fost realizate pentru experimentele de laborator, efectuate în cadrul clubului nostru. 2.3 Determinarea rezistenţei electrice a unui rezistor.

Caracteristica rezistorului

Componente ale montajului experimental: • doi rezistori: unul etalon, cu rezistenţa electrică

cunoscută, şi un altul, a cărei rezistenţă electrică va fi determinată experimental;

• sursă de tensiune reglabilă (se realizează un montaj potenţiometric);

• ghidaje de câmp, întrerupător; • sistem computerizat pentru achiziţia de date, ce

include o placă NI DAQ PCI 6013.

Principiul metodei şi modul de lucru Se măsoară tensiunea electrică la bornele celor doi

rezistori conectaţi în serie, pentru unul dintre aceştia fiind cunoscută valoarea rezistenţei electrice (notată cu R1). Cele două semnale sunt achiziţionate pe canale diferite, pentru


fiecare fiind utilizat modul de configurare diferenţial. Folosind valoarea tensiunii electrice de la bornele rezistorului 1 şi valoarea rezistenţei electrice a acestuia, se determină intensitatea curentului electric, aceeaşi pentru cei doi rezistori conectaţi în serie.

Valoarea rezistenţei electrice Rx se determină folosind următorul algoritm:

- se aplică legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce conţine rezistorul etalon:

U1 = IR1 >> I =U1/R1 (6) - se aplică legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce

conţine rezistorul de rezistenţă Rx:

x1

1x2 R

RUIRU == (7)

11

2x R

UUR = (8)

Varianta computerizată a acestui experiment de laborator prezintă un avantaj important: poate fi evidenţiată extrem de bine legea lui Ohm pentru o porţiune de circuit, caracteristica rezistorului putând fi obţinută în numai câteva secunde. În varianta clasică, caracteristica putea fi vizualizată după obţinerea întregului set de date, prin prelucrare grafică, iar pentru a obţine un număr mai mare de puncte era necesar un timp destul de lung, existând şi limitări legate de calibrul şi precizia instrumentelor clasice de laborator.

Figura 11: Caracteristica rezistorului obţinută prin achiziţie

computerizată 2.4 Caracteristica statică a diodei

Componente ale montajului experimental: • rezistor; • diodă semiconductoare; • sursă reglabilă de

tensiune continuă (montaj potenţiometric);

• sistem computerizat, echipat cu o placă de achiziţie NI DAQ 6013.

Figura 12. Montaj experimental utilizat pentru obţinerea

caracteristicii statice a diodei

Pentru trasarea caracteristicii acestui element neliniar de circuit se măsoară pe un canal tensiunea la bornele rezistorului (de rezistenţă electrică cunoscută), iar pe un alt

canal, tensiunea pe diodă (conectată în serie cu rezistorul). Valoarea intensităţii curentului electric din circuit se determină folosind legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce conţine rezistorul.

Figura 13: Caracteristica statică a diodei obţinută prin achiziţie

computerizată

Observaţii experimentale Analiza semnalului înregistrat evidenţiază faptul că este

necesar ca tensiunea aplicată în sens direct să crească cu câteva zecimi de volt pentru ca dioda să intre în conducţie. Peste acest prag, curentul în conducţie directă creşte rapid o dată cu creşterea tensiunii electrice.

Realizând acest experiment, a fost propusă şi realizarea unei modelări prin care să fie descrisă comportarea diodei semiconductoare polarizată direct. Astfel a fost parcursă o etapă importantă: definirea unui model, pornind de la comportarea sistemului real.

Pentru rezolvarea acestei sarcini de lucru, au fost utilizate datele experimentale salvate în fişier. Modelul definit a constat în liniarizarea caracteristicii pe porţiuni - model cu tensiune de prag şi rezistenţă nenulă în conducţie directă, fiind determinată atât tensiunea de prag, cât şi valoarea rezistenţe electrice (prin utilizarea unui astfel de model, analiza circuitelor ce conţin elemente neliniare poate fi realizată echivalent studiului reţelelor liniare).

Un alt aspect important a constat în propunerea de realizare a unei simulări în care să fie inclus modelul definit. În figura de mai jos este prezentat unul dintre softurile realizate, fiind utilizat programul LabVIEW.

Figura 14: Simulare ce include modelul definit pentru

comportarea diodei în conducţie directă


2.5 Monitorizarea procesului de încărcare a unui condensator, sub tensiune constantă, şi a procesului de descărcare

Componente ale montajului experimental: • rezistor; • condensator; • rezistori cu rezistenţa

electrică cunoscută (aceştia sunt incluşi, pe rând, în circuitul de încărcare, respectiv în circuitul de descărcare);

• sursă reglabilă de tensiune continuă (montaj potenţiometric);

• sistem computerizat, echipat cu o placă de achiziţie NI DAQ 6013.

Figura 15. Montaj

experimental utilizat pentru studiu încărcării, respectiv

descărcării unui condensator

Principiul metodei La încărcarea

condensatorului, sub tensiune continuă, sarcina electrică acumulată pe armăturile acestuia creşte, determinând un curent de încărcare, de intensitate i.

Figura 16. Schema electrică a circuitului – încărcarea condensatorului

Relaţia (9) exprimă legea de variaţie în timp a tensiunii electrice pe condensator, în procesul de încărcare:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

τ−−=

texp1Uu

(9)

U – tensiunea aplicată la bornele grupării R, C; u – tensiunea la bornele condensatorului; τ =RC reprezentând constanta de timp a circuitului. În procesul descărcării,

tensiunea la bornele condensatorului, conectat în paralel cu un rezistor de rezistenţă electrică R, scade după legea:

Figura 17. Schema electrică a circuitului – descărcarea condensatorului

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

τ−=

texpUu 0

(10)

Figura 18: Semnal achiziţionat la încărcarea, respectiv descărcarea unui condensator

Probleme experimentale propuse Un aspect de interes a constat în evidenţierea

dependenţei constantei de timp de valoarea rezistenţei electrice a circuitului, pentru aceasta fiind necesară repetarea experimentelor pentru rezistori diferiţi, atât la încărcare cât şi la descărcare.

O altă problemă experimentală propusă a constat în determinarea capacităţii electrice a condensatorului, cunoscând valoarea rezistenţei electrice a circuitului de descărcare. Pentru rezolvarea acestei sarcini de lucru au fost utilizate datele achiziţionate computerizat, etapele de prelucrare constând în: reconstituirea celor două semnale, pe baza datelor salvate în fişier; adăugarea curbei de tendinţă, pentru punctele experimentale ce corespund descărcării condensatorului; obţinerea funcţiei prin care este descrisă tendinţa de ordonare a punctelor experimentale, fiind obţinută astfel ecuaţia descărcării; determinarea valorii capacităţii electrice a condensatorului (fiind cunoscută valoarea rezistenţei rezistorului din circuitul de descărcare).

Figura 19: Fişă de lucru pentru prelucrarea datelor experimentale (determinarea capacităţii electrice a condensatorului, pornind de la datele salvate în fişier)

2.6 Studiul circuitelor de curent alternativ

Abordând această temă, am realizat pentru început câteva experimente de laborator pentru generarea tensiunii alternative, pe baza fenomenului de inducţie electromagnetică, utilizând componente ale trusei clasice de laborator.

Figura 20: Generarea tensiunii alternative – dispozitive utilizate şi semnal înregistrat


Pentru studiul comportării rezistorului, bobinei şi condensatorului în curent alternativ, am realizat mai multe experimente de laborator, fiind foarte bine evidenţiată, prin semnalele măsurate, comportarea distinctă în curent alternativ a acestor elemente de circuit.

Analiza semnalelor măsurate a constat în determinarea perioadei de oscilaţie, a amplitudinilor acestor semnale, precum şi a defazajului. Utilizând valorile obţinute astfel, au fost dezvoltaţi algoritmi pentru rezolvarea diferitelor probleme experimentale propuse.

Circuit serie RL Una dintre cele mai simple probleme experimentale

propuse a constat în determinarea rezistenţei electrice şi a reactanţei unei bobine, conectată în serie cu un rezistor.

Principiul metodei şi modul de lucru Se realizează un circuit serie format dintr-un rezistor şi

o bobină, la bornele circuitului fiind aplicată tensiune alternativă (figura 21).

Figura 21: Montaj utilizat pentru acest experiment de laborator (circuit RL serie)

Pentru măsurare sunt utilizate trei canale:

− pe un canal se măsoară semnalul dat de sursă; − pe al doilea canal se măsoară semnalul obţinut la

bornele rezistorului; − al treilea canal este utilizat pentru măsurarea

semnalului la bornele bobinei.

Figura 22: Semnale obţinute pentru un circuit RL serie

Repere din rezolvarea problemei experimentale Realizând diagrama fazorială pentru acest circuit, se

alege ca origine a fazelor faza intensităţii curentului electric, aceeaşi cu a semnalului măsurat la bornele rezistorului. În diagrama prezentată mai jos este notat cu φ1 defazajul dintre semnalul măsurat la bornele rezistorului şi cel măsurat la bornele sursei, iar cu φ2, defazajul dintre semnalul măsurat la bornele rezistorului şi cel măsurat la bornele bobinei.

Figura 23: Diagrama fazorială pentru circuitul RL serie

Valorile defazajelor dintre semnale sunt exprimate prin relaţiile:

( )b

L1 RR

xtg+

=ϕ (11)

b

L2 R

xtg =ϕ (12)

Măsurând intervalul de timp între momentele la care se obţin maximele (sau minimele) succesive pentru semnalele uR, ub, respectiv uR, u, poate fi obţinută valoarea acestor defazaje:

Tt2 ∆

π=ϕ∆ (13)

T reprezentând perioada semnalelor măsurate.

Valoarea perioadei de oscilaţie se extrage din oricare

dintre semnalele înregistrate, determinând intervalul de timp dintre două maxime/ minime succesive ale aceluiaşi semnal.

Pornind de la analiza de semnal şi prin utilizarea relaţiilor prezentate anterior, poate fi dezvoltat întregul algoritm ce permite rezolvarea problemei propuse.

În funcţie de grupul de elevi implicaţi, au fost rezolvate şi probleme mai complexe, existând însă şi itemi simpli (determinarea perioadei, frecvenţei şi pulsaţiei semnalelor), astfel încât fiecare elev din acea grupă să poată avea propria lui contribuţie la rezolvarea problemelor experimentale.

2.7 Monitorizarea computerizată a unui semnal

redresat Pentru redresarea tensiunii alternative, am efectuat

câteva experimente de laborator, apelând la soluţii computerizate. Instrumentaţia virtuală este astfel bine pusă în valoare, înlocuind osciloscopul real (componentă ce lipseşte din trusa clasică de laborator).

Sunt prezentate în continuare montajele utilizate (figura 24) şi semnalele măsurate computerizat (figurile 25 şi 26), fiind utilizat un redresor de monoalternanţă, respectiv un montaj pentru redresarea ambelor alternanţe.


a)

b)

Figura 24: Montaje redresoare – a) redresor de monoalternanţă, b) redresor cu dublarea tensiunii

Figura 25: Semnal înregistrat la utilizarea redresorului de

monoalternanţă

Figura 26: Redresarea ambelor alternanţe

3. Propunere privind utilizarea instrumentaţiei

virtuale în cât mai multe şcoli

Care sunt reperele pentru o astfel de propunere? a. Universul tehnologic cu care se vor confrunta elevii

În diferite întreprinderi şi centre de cercetare există astăzi instrumente virtuale realizate pentru monitorizare şi comandă, instrumente ce măsoară diferiţi parametri fizici ce dau informaţii asupra comportării unor sisteme, dar şi instrumente de prognoză, fiind anticipate evoluţii viitoare (estimate prin simulare, pornind de la date reale).

Apelând la instrumentaţie virtuală, pot fi comandate şi anumite moduri de funcţionare ale unor instalaţii, putând fi realizate şi avertizări atunci când sunt atinse valori critice

ale unor parametri. Diferite semnale, achiziţionate computerizat, sunt imediat prelucrate, constituind date de intrare ale unor softuri realizate pentru analiză de semnal.

b. Promovarea atitudinii de cercetare

Problematica cu care se confruntă astăzi sistemul educaţional este în mare măsură legată de dificultatea schimbării mentalităţii o dată cu tranziţia de la societatea industrială la cea informaţională. În timp ce societatea industrială punea accentul pe dezvoltarea de deprinderi (meserii) şi rezolvare algoritmică, societatea informaţională pune accent pe creativitate şi adaptabilitate, pe specificitate şi personalitate, încercând să redefinească locul omului în societate, ca sursă a creaţiei, precum şi o nouă scară de valori. Este motivul pentru care şcoala, prin oferta sa, trebuie să se adapteze către o şi mai mare flexibilitate a educaţiei şi a formării.

Într-un astfel de context este necesară promovarea atitudinii de cercetare, de valorificare a informaţiei în activităţi creative, de punere de probleme şi rezolvarea lor pe baza conceptelor, modelelor şi teoriilor studiate în cadrul diferitelor lecţiilor. Studiul comportării diferitelor sisteme reale folosind tehnică de vârf, achiziţionând zeci de mii de date experimentale pe secundă, poate surprinde aspecte ale comportării acestor sisteme care, în mod clasic, pot fi puse în evidenţă cu mare dificultate.

Investigaţia pe sistem real, parcurgând toate etapele proiectării unui experiment de laborator, şi acomodarea cu tehnicile computerizate de achiziţie şi analiză de semnal, reprezintă elemente importante atunci când vorbim de o activitate de cercetare în contextul societăţii informaţionale.

Figura 27: Etape ale integrării instrumentaţiei virtuale


Definirea unui model, în vederea proiectării unei simulări, reprezintă de asemenea un aspect important al unei activităţi de cercetare, fiind cunoscut faptul că studiul pe model aduce informaţii importante, simularea având şi un rol anticipativ. Machetele sunt astăzi de multe ori înlocuite cu softuri de simulare. Identificarea parametrilor optimi pentru funcţionarea unei instalaţii, de exemplu, poate fi realizată printr-un soft de simulare. Astfel pot fi evitate cheltuieli inutile, sunt eliminate accidente, iar timpul necesar finalizării unui proiect scade semnificativ.

c. Necesitatea revitalizării interesului elevilor pentru

studiul ştiinţelor

Acest aspect a fost amintit chiar la începutul lucrării noastre, fiind totodată primul obiectiv formulat pentru “Fun Science Club”.

Punct de vedere al elevilor …. “Cum tehnica intră în universul nostru din primii ani de

viaţă, nu putem să nu acordăm o atenţie specială noilor tehnologii şi noilor tehnici de măsurare.”

… şi completarea profesorului “Din experienţa acumulată în aceşti ultimi ani, pot afirma

faptul că utilizarea instrumentaţiei virtuale în lecţii de fizică, şi nu numai, poate determina o revitalizare a interesului elevilor pentru studiul ştiinţelor, constatând acest lucru la proprii mei elevi. Iar acesta este un argument important cu care îmi susţin propunerea pentru utilizarea instrumentaţiei virtuale, a tehnicilor computerizate de investigare, în cât mai multe şcoli”.

4 Soluţii l-a care am apelat pentru promovarea

instrumentaţiei virtuale

• Am prezentat unele dintre experimentele efectuate atât membrilor clubului, reprezentaţi din diferite şcoli bucureştene, precum şi în cadrul unor conferinţe, expoziţii (efectuând experimentele);

• Am promovat instrumentaţia virtuală şi în rândurile elevilor de gimnaziu, ce au venit să viziteze liceul, cu diferite ocazii;

• Pe site-ul clubului au fost publicate mai multe articole, în care sunt prezentate câteva dintre experimentele efectuate, fiind început şi un tutorial (“LabVIEW prin exemple”).

• Cel mai important demers? Au fost efectuate aceste experimente în cadrul orelor de curs, fiind prezentate chiar şi elevilor din clasele de profil uman.

Mulţumiri

Le adresăm: Companiei National Instruments şi M.E.C România,

pentru eforturile depuse în vederea implementării mediului de programare LabVIEW şi pentru faptul

computerizat pentru achiziţia de date;

că ne-a fost oferită posibilitatea de a utiliza un sistem

săi, pentru tot domnului dr. Tom Savu şi asistenţilor sprijinul acordat;

reşti, Centrul pentru Învăţământ Universităţii BucuDeschis la Distanţă – CREDIS, care a organizat cursuri, pentru profesori, ce includ şi aspecte legate de utilizarea în şcoli a instrumentaţiei virtuale;

jat în domnului dr. Dan Sporea, care ne-a încuraactivităţile noastre, desfăşurate în cadrul ”Fun Science Club”;

ul rând, mulţumim tuturor acelor

dresăm invitaţia de a veni alături de noi, la “Fun

Sci

la început de drum ...

şi nu în ultimpărinţi care şi-au încurajat copiii pentru desfăşurarea acestor activităţi şi după orele de curs.

Aence Club”, celor interesaţi de studiul ştiinţelor,

respectiv celor interesaţi de utilizarea instrumentaţiei virtuale.

Suntem

BIBLIOGRAFIE Bogdan Logofătu, Reimer Lincke, “Instrumentaţie virtuală

[3] ca fizicii”, Editura Universităţii “Alexandru Ioan

[4] ă în vigoare, pentru învăţământul preuniversitar;

[1] Marius Munteanu,LabView” ( Credis, Bucureşti, 2001);

[2] Tom Savu, Gabriela Savu , “Informatică – Tehnologii asistate de calculator”, manual pentru clasa a-X-a, filiera tehnologică/ profil tehnic (editura ALL Educational, Bucureşti 2000); Ovidiu Florin Călţun, “DidactiCuza”, Iaşi 2003; Programele de fizic

[5] Documentaţia plăcii de achiziţie NI DAQ 6013.

Ţ Ă Ţia a ii-a, bucureŞ instrumentaţie virtuală la “fun

Documents