Použití počítače k měření v chemické laboratoři - MC230P18

• Anglický název: Application of Computer for Measurements in Chemical Laboratory
• Český název: Použití počítače k měření v chemické laboratoři
• Zajišťuje: Katedra analytické chemie (31-230)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2021
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 2
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:
• Rozsah, examinace: zimní s.:2/0, Zk [HT]
• Počet míst: 6
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: zrušen
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: prof. RNDr. František Opekar, CSc.

Anotace

čeština

Poslední úprava: prof. RNDr. František Opekar, CSc. (18.05.2011)

Přednáška v laboratoři. Obecné schema měřicího přístroje, počítač představen ve funkci universálního měřicího přístroje pro měření v laboratoři. Předběžné zpracování analogových signálů s použitím operačních zesilovačů: princip správného měření proudu (proudový sledovač) a napětí (napěťový sledovač); zesilovač napětí (invertující a neinvertující); příklady měřicích přístrojů pro chemická měření (pH/pIon-metr, potenciostat, galvanostat). Jednotlivá zapojení operačních zesilovačů jsou teoreticky popsána a experimentálně otestována. Počítač je využit pro sběr i zpracování experimentálních dat.

Přednáška je zakončena písemnou zkouškou.

angličtina

Poslední úprava: OPEKAR (29.01.2003)

Lecture in the laboratory. General scheme of measuring device, PC is introduced as an universal measuring device for laboratory measurements. Preliminary processing of analog signals using operational amplifiers: principles of the right measurement of current (current follower) and voltage (voltage follower); signal amplification (inverting and non-inverting amplifier); examples of measuring devices for chemical measurements (pH/pIon-meter, potentiostat, source of constant current). Individual applications of operational amplifiers are theoretically described and experimentally tested.

Literatura

Poslední úprava: OPEKAR (31.01.2003)

1. R.Kalvoda, Použití operačních zesilovačů v chemické instrumentaci, SNTL, Praha 1974.

2. H.V.Malmstadt, C.G.Enke, S.R.Crouch, Microcomputer and Electronic Instrumentation; Making the Right Connections, ACS, Washington, DC, 1994.

3. L.K.Wells, J. Travis, LabView for Everyone, Prentice-Hall PTR, New Jersey 1997.

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: prof. RNDr. František Opekar, CSc. (03.11.2011)

Předmět je zakončen předložením vypracovaných protokolů z jednotlivých probíraných témat a jejich diskusí.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: OPEKAR (31.01.2003)

1. Vymezení problému.

Obecné schema měřicího přístroje (sensor-snímač sledované vlastnosti, převodník, zobrazovač) případně regulátoru ( + blok žádané hodnoty, akční člen). Počítač - universální měřicí přístroj; zařazení počítače do procesu měření: úprava signálu - interface - počítač - program. Ilustrační videoprogram "Malá instrumentace v chemické laboratoři".

2. Všeobecné informace.

Rozdělení elektrických signálů/informací pro účely měření (informace v oblasti A-analogové, T-časové, D-digitální, P-fyzikální forma informace). Převádění signálů mezi jednotlivými oblastmi: převod D/A, převod A/D (napětí/frekvence, dvojí integrace, postupná aproximace).

3. Počítač jako měřicí přístroj. Seznámení s programem LabView I (virtuální rovina, základy grafického programování).

Vyvolání a ukončení programu; první aplikace - přístroj tvořený "zdrojem napětí" a "voltmetrem" (spuštění a zastavení aplikace jednorázové, kontinuální, změna rozsahů, zlepšení přesnosti čtení zavedením digit. displeje, formát dat). Úprava signálu ze zdroje před jeho zobrazením zabudovanými funkcemi, výrazem. Indikace dosažení určitého stavu, splnění podmínky. Některé pomůcky pro odlaďování složitějších zapojení. Uložení aplikace.

Principy časování činnosti přístroje, časová smyčka, testování vlivu časového intervalu na zobrazovaný signál. Záznam dat do souborů a jejich of-line zpracování tabulkovým editorem.

4. Počítač jako měřicí přístroj. Seznámení s programem LabView II (spojení virtuálního přístroje s reálným světem).

Výstup napětí z počítače na externí zařízení, propojovací interface - propojovací destička. Měření a zpracování externího napěťového signálu on-line počítačem. Naprogramování počítače do funkce universálního měřicího přístroje.

5. Úprava signálu před jeho zpracováním počítačem.

Operační zesilovač (OZ) - základní prvek pro zpracování analogových signálů. Popis (invertující a neinvertující vstup, výstup, napájecí napětí, kompenzační prvky). Základní vlastnosti (zesílení, vstupní a výstupní impedance, saturační napětí). OZ ve stavebnici - snadná realizace potřebných obvodů v laboratoři, popis stavebnice a jejích modulů.

6. Nejběžnější obvody používané k úpravě signálu.

Invertující zesilovač napětí (proměření závislosti výstupního napětí na vstupním napětí, porovnání teoretické a experimentální hodnoty, zjištění saturačního napětí zesilovače, grafické zpracování výsledků).

Proudový sledovač: (zásady správného měření proudů, ověření vztahu mezi vstupním proudem a výstupním napětím, grafické zpracování výsledků; měření závislosti proudu fotonkou při různé intenzitě světla, záznam na grafický displej).

Napěťový sledovač (zásady správného měření napětí, praktické ověření důležitosti impedančního přizpůsobení zdroje a měřidla - výběr vhodného voltmetru; měření pH reálnou skleněnou elektrodou, počítač využit jako pH-metr; analogová a digitální filtrace signálů).

Neinvertující zesilovač napětí (teoretické odvození vztahu mezi vstupním a výstupním napětí a jeho praktické ověření experimentem.

7. Zdroje proudu a napětí realizovatelné OZ (výběrové).

Generátor pravoúhlého a trojúhelníkového napětí (zapojení generátoru a ověření jeho funkce, volba frekvence).

Zdroj konstantního proudu, galvanostat (ověření funkce galvanostatu odvozeného od neinvertujícího zesilovače, zjištění závislosti proudu na velikosti zátěže, meze správné funkce).

Potenciostat (ověření funkce potenciostatu odvozeného od invertujícího zesilovače, zjištění závislosti řízeného napětí (potenciálu) na velikosti odporu zátěže, meze správné funkce potenciostatu).

angličtina

Poslední úprava: OPEKAR (29.01.2003)

1. Introduction - definition of the problem.

General scheme of a measuring device (sensor - transducer - display) or a regulator (required value - actuator). Computer as a universal measuring device and its position in a measuring train: interface - cpu - software.

2. General information.

Classification of electric signals/information for measuring purposes (A-analog domain, T-time domain, D-digital domain, P-physical, non-electrical, form of information). Inter-domain conversion of the signals, D/A, A/D converters.

3. Computer functioning as a measuring device.

3.1 Introduction to LabView programming, virtual instrumentation.

Opening and closing of the program; the first instrument composed of "voltage source" and "voltmeter", start and stop of the program application (simple run, continuous run); change of the measuring range; data format; data modification by in-built functions or one's own expressions; indication of the satisfied conditions; some tools for debugging of the virtual device program application; saving of the application;

Principles of timing, time loop; effect of timing on the signal displaying; saving data into file and their off-line processing by a spreadsheet program.

3.2 Introduction to LabView programming, interconnection of the virtual device with a real word.

Output of the voltage signal from the computer to external device; on-line measuring and processing of the external voltage signal by computer; creating an application turning the computer into the universal measuring device (which is used for all next measurements).

4. Signal modification before its processing by a computer.

Operational amplifier (OA) - a fundamental component for processing of analog signals: description (non-inverting and inverting input, output, power supply, compensation elements); basic properties (gain, input and output impedance, effect of the input and feedback resistors, saturation voltage); laboratory kits with OA - a simple realisation of electronic analog circuits (description of the kit and its modules).

5. Common analog circuits used for signal modification.

5.1 Inverting amplifier of voltage: measuring of the dependence of the output voltage on the input voltage for different feedback resistors; comparison of the results with theoretical values; determination of saturation voltage; graphical processing of the results.

5.2 Current follower: principles of right measuring of current; comparison of the theoretical and practical dependence of the output voltage on the input current at various feedback resistors; graphical processing of the results; the graphical record of the current flowing through the phototube at different light intensity.

5.3 Voltage follower: principles of right measuring of voltage; test of the importance of the source - voltage impedance adjustment (proper voltmeter choice); pH measurement using a glass electrode (computer is programmed to pH-meter); analog and digital signal filtration.

5.4 Non-inverting voltage amplifier: Theoretical derivation of the relationship between output and input voltage and confirmation of the result by experiment.

6. Voltage and current sources realized using an OA.

Square and triangle wave generator: assembly of the generator, testing its properties, change of the frequency.

Galvanostat: test of the galvanostat based on a non-inverting OA; determination of the dependence of a current on a load resistance, limits of proper functioning.

Potentiostat: test of the potentiostat based on a inverting OA; determination of the dependence of a controlled potential on a load resistance, limits of proper functioning.