Исследование зависимости магнитной восприимчивости гадолиния от температуры производится с помощью программно-аппаратного комплекса, представляющего собой блок лабораторной установки и программу на компьютере.

Лабораторный блок непрерывно передает в компьютер данные о температуре образца и его магнитной проницаемости. Чтобы получать эти данные программа должна подключиться к одному из последовательных COM-портов, которые имеются в системе. Делается это нажатием кнопки «Подключить COM-порт» или комбинацией клавиш <Ctrl+D>. Один из таких последовательных портов появляется в системе после включении лабораторного блока установки.

Перед началом работы необходимо убедиться, что сетевой провод электропитания и провод USB подключены к лабораторному блоку.

Программа предназначена для взаимодействия с электронным блоком, представляющим собой экспериментальную установку, которая позволяет следующее:

• изменять температуру образца ферромагнетика (редкоземельный металл гадолиний) в заданном диапазоне температур, контролируя скорость изменения температуры. При этом образец может переходить из парамагнитного состояния в ферромагнитное и обратно.
• оценивать магнитную проницаемость (в терминах программы - намагниченность) образца ферромагнетика.
• принимать поток данных из лабораторного блока.
• передавать управляющие команды в лабораторный блок для управления температурными режимами.

Таким образом, программа позволяет подключиться к лабораторной установке через выбранный порт (COM-порт), принимать передаваемые данные и управлять режимами работы лабораторного блока.

Программой предусмотрена возможность как ручного, так и автоматического управления температурой. Данные о температуре образца и намагниченности принимаются и накапливаются программой, обеспечивая отображения текущих значений и всей истории их изменений, с момента подключения, в виде графиков.

Для начала исследований надо включить лабораторный блок, для этого тумблер электропитания необходимо перевести в верхнее положение.

На рабочем столе компьютера находится ярлык запуска программы SerialVisualizer. После появления заставки откроется окно программы.

Поскольку в системе может присутствовать несколько COM-портов для подключения, необходимо выбрать нужный порт из нескольких. Чтобы порт лабораторной установки появился в системе, необходимо, чтобы блок был включен и соединен к компьютеру проводом USB. Нередко порт COM1 присутствует в системе изначально, он соответствует специальному разъему на задней панели системного блока. Он нас не интересует. Вероятнее всего, интересующий нас порт окажется вторым в списке.

Органы управления программы расположены колонкой у левого края окна. Ниже пример с установками по умолчанию: Все органы управления сгруппированы в блоки. Самый верхний блок отвечает за подключение к порту и получение исходных данных. Необходимо выбрать нужный порт в выпадающем списке «COM-порт», а затем нажать кнопку «Подключить COM порт». Программа запоминает порт, который использовался в предыдущем сеансе подключения, даже если это было во время предыдущего запуска программы. В этом случае можно сразу нажимать кнопку подключения выбранного порта. Если выбрать не тот порт, произойдет соединение, но ожидаемые данные поступать в программу не будут. В этом случае, программа вскоре предупредит пользователя об этом специальным уведомлением.

Самым простым способом провести исследование изменений магнитной проницаемости гадолиния вблизи температуры Кюри, является – автоматический эксперимент. Положительным моментом является то, что система самостоятельно будет управлять скоростью изменения температуры. Ведь, если температуру менять слишком быстро, то увеличивается разброс локальных температур в различных участках исследуемого образца, что «размывает» получаемую в результате картину зависимости намагниченности от температуры.

Чтобы запустить автоматический эксперимент необходимо выбрать кнопку «Запустить эксперимент» в самой нижней группе «Автоматический эксперимент». Диапазон температур, в пределах которых будет происходить изменение задается двумя регуляторами «T_min» и «T_max». Наиболее оптимальными являются значения по умолчанию. Во время автоматического эксперимента эти регуляторы можно подстраивать.

Во время автоматического эксперимента на специальном экране отображается протокол эксперимента, по которому можно судить о том, что происходит в каждый момент. Эксперимент можно прервать досрочно или по мере необходимости корректировать его ход регуляторами, хотя это не рекомендуется.

Нужно дождаться завершения эксперимента и по его окончании закрыть окно программы. Результаты проведенного исследования будут помещены в отдельную автоматически созданную папку сеанса работы программы, с именем, наподобие: «ЕлМаг ЛР45 - 2022-09-26 (09-52-14)»

Эта папку можно найти внутри папки «ЛР 4.5 Результаты исследований» на Рабочем столе.

По итогам проведенного эксперимента в папке сеанса работы формируются файл «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-52-14) - Все сеансы.xlsx» (имя файла для примера), в котором содержатся все данные полученные от лабораторного блока с момента подключения к порту, до момента отключения.

ВАЖНО: Файл « * - Все сеансы.xlsx» окончательно записывается в папку только при завершении работы программы.

Чтобы автоматически отключить соединение с COM-портом по завершении эксперимента, слева от кнопки «Запустить эксперимент» имеется переключатель. Если он установлен, то отключение от COM-порта произойдет автоматически по завершению эксперимента.

Если было произведено несколько сеансов подключений к порту, в рамках одной сессии работы программы, то данные каждого сеанса будут записаны в отдельные вкладки (sheets) указанного файла Excel, с нумерацией сеанса подключения в названии вкладки. В каждой из таких вкладок будут вставлены по две графические диаграммы, аналогичные графикам на экране программы.

Ключевые данные для выполнения целей лабораторной работы находятся в первых двух колонках таблицы: «Температура» и «Намагниченность».

Если настройки по умолчанию не были изменены, то дополнительно в папку сеанса работы программы будут записаны еще следующие файлы (имена файлов для примера):

• файл «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-21) - данные в пределах экрана.xlsx», в котором содержатся полученные данные, находящиеся в пределах границ отображения правого экрана с графиками. Дело в том, что если отключено автомасштабирование или привязка к краям экрана по оси X, то графики на экране можно масштабировать и перемещать по горизонтали, выбрав, таким образом, только интересующий диапазон.
• файл «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-23) - график M(T).png»
• файл «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-23) - графики M(t) и T(t). png»

Это файлы с изображением графиков в окнах программы. А так же:

• файл «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-55-23) - Снимок окна программы. png»

Этот файл содержит изображение всего окна программы.

Сразу после подключения к последовательному COM-порту программа начинает прием данных, поступающих от лабораторного блока. Программа имеет два окна отображения графиков. Первое окно предназначено для отображения изменения уровней сигналов по мере поступления данных. Т.е. это условно временная зависимость, подобная осциллографическому изображению. Второе окно отражает зависимость магнитной проницаемости от температуры.

Оба графика можно масштабировать, перемещать мышью, если только соответствующими переключателями не активировано автоматическое масштабирование по X или фиксация левого или правого края принимаемых данных.

ВАЖНО: Масштабирование и вертикальное положение графика намагниченности (оранжевый цвет линии графика) в правом окне производится только автоматически. Следовательно – перемещение по вертикали или вертикальное масштабирование производится только в отношении графиков температуры.

ВАЖНО: Отображение зависимости намагниченности от температуры во втором окне имеет одну особенность: если включен переключатель «Обрезка», то при формировании этого графика учитываются только те данные, которые оказались в пределах границ первого окна. Таким образом, путем масштабирования и перемещения по горизонтали графиков первого окна мы можем определить, какой участок принятых данных нужно отобразить в виде функциональной зависимости во втором окне.

Масштабирование и перемещения графиков температуры по осям X и Y производится курсором и колесиком мыши. Например, для изменения масштаба необходимо покрутить колесом мыши над соответствующей осью. Ниже показаны зоны для масштабирования и перемещения графиков мышью: Назначение любых органов управления программы можно узнать, наведя на них курсор мыши, вскоре появится всплывающая подсказка с пояснениями о назначении этого элемента.

Графики предусматривают два вида цветовой палитры – темную и светлую. Переключать их можно через меню «Вид» или комбинацией клавиш клавиатуры <Ctrl-L>.

По окончании эксперимента можно отключиться от COM-порта лабораторного блока (если эта функция не активирована в автоматическом режиме) и сохранить нужные данные для дальнейшей обработки. На экране имеются две кнопки для этой цели. Верхняя кнопка позволяет сохранить набор значений данных в пределах экрана в формате Excel (имя файла для примера): «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-56-15) - данные в пределах экрана.xlsx»

ВАЖНО: Данные для сохранения по кнопке «Записать данные в файл» выбираются только в пределах границ правого окна. Нижняя кнопка сохраняет каждое окно графика в формате графического файла в формате PNG. Кроме этого, сохраняется скриншот окна программы (имена файлов для примера):

• «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-56-15) - график M(T).png»
• «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-56-15) - графики M(t) и T(t).png»
• «ЕлМаг ЛР45 2022-09-26 (09-56-15) - Снимок окна программы.png»

Чтобы не забыть сохранить данные по окончании эксперимента, слева указанных кнопок имеются переключатели. В случае их установки, программа автоматически выполнит их «нажатие» при завершении своей работы, тем самым обеспечит автоматическое сохранение информации.

Для более детального и тщательного проведения эксперимента можно воспользоваться ручным управлением температурой. Для этого необходимо воспользоваться группой элементов управления «Управление температурой»: Чтобы было понятно, каким образом происходит управление температурой, следует привести несколько пояснений.

Управление температурой образца гадолиния в лабораторной установке производится с помощью термоэлектрического преобразователя – элемента Пельтье. Этот элемент представляет собой пластину, размером 4 х 4 см, толщиной 4 мм из которой выходят два провода. В данной лабораторной установке используется пакет из двух последовательно включенных элементов: Если через этот элемент пропустить электрический ток, присоединив к красному проводу положительный полюс источника питания, а к черному – отрицательный, то верхняя поверхность начнет охлаждаться, а нижняя – нагреваться. В данной лабораторной установке верхняя поверхность используется для управления температурой образца, а нижняя поверхность прижата к радиатору теплоотвода с вентилятором обдува для стабилизации его температуры.

Поскольку в процессе исследований нам необходимо как нагревать, так и охлаждать образец, в установке применяется специальное реле, позволяющее переключать полярность тока, протекающего через элемент Пельтье.

При использовании термоэлектрических преобразователей Пельтье важно строго придерживаться простого правила – ток через этот элемент необходимо менять только плавно. В противном случае происходит быстрая деградация и растрескивание внутренней микроструктуры элемента. В результате он быстро выходит из строя.

Отсюда следует, что нельзя менять полярность тока, если он не нулевой. Поэтому чтобы перейти, например, от охлаждения образца к нагреву, необходимо сначала плавно уменьшить ток до нуля, затем переключить реле, определяющее полярность, и только теперь плавно увеличить ток.

В нашей программе управление температурой реализуется двумя элементами управления:

1. регулятором тока, который выражается в процентах от максимального (регулятор ШИМ);
2. кнопкой переключателя реле полярности подаваемого тока, на которой отображается мгновенное значение тока в единицах ШИМ.

Оба элемента управления представлены на рисунке ниже: В практике цифрового электронного управления мощностью широко применяется технология широтно-импульсного модулирования (ШИМ). При этом среднее значение тока определяется шириной импульсов, следующих с фиксированной частотой. Изменение ШИМ заключается в изменении ширины этих импульсов. Это линейно определяет среднее значение мощности. Для современных микроконтроллеров не составляет большой проблемы организовать такое регулирование. В данной программе регулировка ШИМ приведена к масштабу в пределах от 0 до 100. При ШИМ равном 0 ток отсутствует, при значении 100 – ток максимальный.

Когда мы хотим задать новое значение тока, мы выставляем в указанном выше управляющем поле программы его величину в диапазоне от 0 до 100. Это значение мгновенно передается в лабораторный блок. Причем, лабораторный блок плавно и постепенно изменяет реальную мгновенную величину тока до целевого значения. Наша программа может легко узнать это текущее значение. Оно отображается на цветной кнопке справа.

Если мы захотим переключить реле полярности, когда ток не равен нулю, контроллер не позволит это сделать.

В режиме охлаждения цвет указанной кнопки синий, в режиме нагрева – красный.

Если значение тока равно нулю, мы можем переключить полярность просто нажав на кнопку, на которой отображается мгновенное значение ШИМ. При этом меняется цвет кнопки. Это позволяет нам видеть текущий режим. При включении блока устанавливается такое состояние реле, при котором ток через внутреннее реле отсутствует. Это соответствует режиму охлаждения.

Назад к описанию установки или далее к обработке эксперимента