Съёмный мобильный компактный измерительный модуль
Изобретение относится к учебным приборам и касается конструкции съемных мобильных компактных измерительных модулей, применяемых при проведении лабораторных работ. Съёмный мобильный компактный измерительный модуль, включающий компактный корпус с элементами механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, включающий разъём и держатель, расположенные в корпусе чувствительный элемент и электронную плату с аналогово-цифровым преобразователем, выполнен с возможностью управления посредством программы этого мобильного автономного электронного устройства и графического отображения полученных цифровых данных. Чувствительный элемент связан с корпусом неразъёмно, причем корпус состоит из основания и съёмной крышки, электронная плата размещена внутри основания, в корпусе имеются отверстие для размещения разъёма и отверстия и для вывода чувствительного элемента, внутри основания имеются установочные ребра для размещения платы и пазы для фиксации крышки, крышка оснащена прижимами для платы, фиксаторами защелкивающегося типа и фиксатором для разъёма, электронная плата дополнительно включает в себя аналоговую часть, элементы механического и электрического присоединения выполнены универсальными, а разъём выполнен в виде micro USB, либо в виде usb type-c. Технический результат - обеспечение миниатюризации и повышения универсальности и многофункциональности съемных измерительных модулей с возможностью проведения различных демонстраций в сборе с мобильным автономным электронным устройством и изменением условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. 42 ил.
Изобретение относится к учебным приборам и касается конструкции съемных мобильных компактных измерительных модулей, предназначенных для соединения с мобильным автономным электронным устройством (например, смартфоном), и применяемых в учебных аппаратных средствах (например, в мобильных лабораториях), в том числе при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях. Изобретение может быть использовано при изучении физики, химии, биологии, физиологии, экологии и других дисциплин.
Из области техники 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, опубл. в 2010 г.). 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 мобильном варианте, в том числе и вне помещений, эргономика известного датчика не дает возможности использовать его в таком варианте.
Известен 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). Это устройство более универсально, чем предыдущее, однако, его возможности также ограничены условиями проведения лабораторных работ в помещении.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является ручное компьютерное устройство с экраном дисплея, набор аппаратных элементов управления, прикрепляемый портативный модуль, который имеет средства для общения с ручным компьютерным устройством и его собственным аппаратным управлением, при этом абсолютный размер этого ручного компьютерного устройства может варьироваться, как и его вес, но он вписывается в требования эргономики и может использоваться одной рукой (см. патент US7286894, кл. G06F19/00, оп. в 2007 году). Портативный присоединяемый модуль выполняет сбор данных при подключении к прибору портативной ЭВМ, при этом присоединяемый модуль программируется с помощью портативного компьютерного устройства. Это ручное компьютерное устройство с портативным присоединяемым модулем может быть использовано вне помещения при проведении лабораторных работ, предусмотренных в учебном процессе, но его обучающие и исследовательские возможности ограничены конструктивными признаками.
Техническая проблема эргономика известных устройств предполагает использование ноутбука, нетбука и ручного компьютерного устройства (США), а в настоящее время распространены более компактные компьютерные устройства для работы с измерительными модулями. Задача эргономики требует миниатюризации измерительного модуля. В известных устройствах остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения физики, химии 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 не только в стенах учебного заведения, но и за его пределами. При этом измерительные модули должны быть не просто переносными, а съемными и очень миниатюрными.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи миниатюризации и повышения универсальности и многофункциональности измерительных модулей с возможностью проведения различных демонстраций в сборе с мобильным автономным электронным устройством и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в съемном мобильном компактном измерительном модуле, включающем компактный корпус с элементами механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, содержащем разъем и держатель, расположенные в корпусе чувствительный элемент (первичный преобразователь) и электронную плату с аналогово-цифровым преобразователем, и выполненным с возможностью управления посредством программы этого мобильного автономного электронного устройства и графического отображения полученных цифровых данных, чувствительный элемент (первичный преобразователь) связан с корпусом неразъемно, при этом электронная плата дополнительно включает в себя аналоговую часть, причем элементы механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству выполнены универсальными, а разъем выполнен либо в виде micro USB, либо в виде usb type-c.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль электропроводности в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 2 - съемный мобильный компактный измерительный модуль электропроводности, в изометрии. На фиг. 3 - то же, крышка корпуса, в изометрии. На фиг. 4 - то же, основание корпуса, в изометрии. На фиг. 5 - то же, электронная плата с USB разъемом, в изометрии. На фиг. 6 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля электропроводности. На фиг. 7 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль рН в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 8 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля рН. На фиг. 9 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль ионоселективный в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 10 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля ионоселективного. На фиг. 11 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль магнитного поля в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 12 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля магнитного поля. На фиг. 13 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль пульса в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 14 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля пульса. На фиг. 15 схематично изображен съемный мобильный компактный гибкий измерительный модуль температуры (-10 +110°С) с один каналом в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 16 изображена блок-схема съемного мобильного компактного гибкого измерительного модуля температуры (-10 +110°С) с один каналом. На фиг. 17 схематично изображен съемный мобильный компактный гибкий измерительный модуль температуры (-10 +110°С) с двумя каналами в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 18 изображена блок-схема съемного мобильного компактного гибкого измерительного модуля температуры (-10 +110°С) с двумя каналами. На фиг. 19 схематично изображен съемный мобильный компактный жесткий измерительный модуль температуры с одним каналом в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 20 схематично изображен съемный мобильный компактный жесткий измерительный модуль температуры с двумя каналами в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 21 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры химический (-40 + 180°С) с один каналом в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 22 изображена блок-схема съемного мобильного компактного гибкого измерительного модуля температуры химического (-40 + 180°С) с один каналом, у которого чувствительный элемент смонтирован внутри щупа - трубки из нержавеющей стали, находящейся на конце соединительного кабеля. На фиг. 23 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль тока (или напряжения) с один каналом в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 24 изображена блок-схема съемного мобильного компактного гибкого измерительного модуля тока с один каналом. На фиг. 25 изображена блок-схема съемного мобильного компактного гибкого измерительного модуля напряжения с один каналом. На фиг. 26 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль тока (или напряжения) с двумя каналами в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 27 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль положения (4 точки) в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 28 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля положения (4 точки). На фиг. 29 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль звука с функцией интегрирования в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 30 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля звука с функцией интегрирования. На фиг. 31 схематично изображен съемный мобильный компактный двухканальный измерительный модуль звука в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 32 изображена блок-схема съемного мобильного компактного двухканального измерительного модуля звука. На фиг. 33 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль частоты дыхания в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 34 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля частоты дыхания. На фиг. 35 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль абсолютного давления в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 36 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля абсолютного давления. На фиг. 37 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль артериального давления в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 38 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля артериального давления. На фиг. 39 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль освещенности в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 40 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля освещенности. На фиг. 41 схематично изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль влажности в сборе с мобильным автономным электронным устройством, в изометрии. На фиг. 42 изображена блок-схема съемного мобильного компактного измерительного модуля влажности.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для соединения с мобильным автономным электронным устройством (например, смартфоном) для применения в учебных аппаратных средствах (например, в мобильных лабораториях). Он может быть использован при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях. Съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для использования при изучении физики, акустики, механики, термодинамики, электроники и других учебных дисциплин. Каждый съемный мобильный компактный измерительный модуль, представленный в данном изобретении, выполнен на общей технической и электронной базе. Эти модули предназначены для проведения различных измерений, но при этом имеют возможность, благодаря подключению к системе управления измерениями мобильного автономного электронного устройства (например, обычного смартфона), быть использованы в учебном или исследовательском оборудовании с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Компактность съемных мобильных измерительных модулей позволяет комплектовать из них небольшие мобильные лаборатории для проведения исследований вне стен учебного или исследовательского заведения, например, на природе.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль является универсальным и включает компактный корпус, состоящий из основания 1 и съемной крышки 2, электронную плату 3, размещенную внутри основания 1, и универсальный элемент механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, например к смартфону 4 с разъемом 5. В качестве разъема 5 можно использовать либо micro USB, либо usb type-c. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 и 8 для вывода различных сенсоров (чувствительных элементов, первичных преобразователей). Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5.
Изображенный на фиг. 1 - 5 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для измерения электропроводности жидкости. На фиг. 6 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Модуль для измерения электропроводности жидкости включает неразъемно связанный с ним чувствительный элемент - сенсор 19 электропроводности, имеющий щуп 20 с двумя электродами и кабель 21. Сенсор 19 подключен к электронной плате 3 с фильтром 22 и усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 19 и микроконтроллером 14.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль, предназначенный для измерения электропроводности жидкости (см. фиг. 1 - 6), используют следующим образом. Мобильное автономное электронное устройство (смартфон 4) заранее оснащен электронным приложением для работы с измерительными модулями. Измерительный модуль подключают к смартфону 4 с использованием разъема 5 либо micro USB, либо usb type-c. Щуп 20 погружают в сосуд, например, цилиндр, (на рисунке не показано) с измеряемой жидкостью. На электроды подают переменное напряжение. В зависимости от проводимости исследуемой среды между двумя электродами, получают сигнал прямо пропорциональный проводимости жидкости. Сигнал усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в микроконтроллер 14. Оцифрованный сигнал попадает через разъем 5 к смартфону 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет получать и преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровом и графическом виде, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать зависимость изменения электропроводности от исследования разных жидкостей.
Изображенный на фиг. 7 - 8 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для измерения водородного показателя рН - меры кислотности, которая отражает концентрацию ионов водорода в жидкости. Модуль для измерения рН включает неразъемно связанный с ним сенсор 26 рН. Этот модуль, как и предыдущий, состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 или 8 для вывода сенсора 26 рН. Сенсор 26 рН выполнен в виде комбинированного стеклянного электрода с пластмассовой трубкой 27, внутри которой размещена стеклянная трубка со стеклянным шариком 28 на конце, при этом сенсор 26 снабжен кабелем 29, который подключен к плате 3. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 8 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Сенсор 26 подключен к электронной плате 3 с усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 26 и микроконтроллером 14.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль, предназначенный для измерения водородного показателя рН (см. фиг. 7 - 8), используют следующим образом. Сенсор 26 pH погружают в сосуд (на рисунке не показано) с измеряемой жидкостью, при этом возникает потенциал на стеклянном шарике 28, который прямо пропорционален уровню рН. Далее сигнал усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в аналогово-цифровой преобразователь 15 микроконтроллера 14. Оцифрованный сигнал попадает через разъем 5 к смартфону 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать зависимость изменения водородного показателя рН от исследования разных жидкостей.
Изображенный на фиг. 9 - 10 съемный мобильный компактный измерительный модуль ионоселективный предназначен для анализа природных вод; в медико-биологических исследованиях для определения ионного состава биологических сред, внутриклеточной активности ионов; для контроля загрязнений окружающей среды (осадков, льда и т.п.); при анализе почв, морской воды и других исследованиях. Основой сенсора 30 данного модуля являются электрохимические электроды (ионоселективный электрод 31 и электрод 32 сравнения), равновесный потенциал которых в растворе электролита, содержащем определенные ионы, тем или иным образом зависит от концентрации этих ионов. Сенсор 30 неразъемно связан с модулем ионоселективным. Этот модуль, как и предыдущие, состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 или 8 для вывода кабелей 33 и 34 сенсора 30. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 10 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Сенсор 30 подключен к электронной плате 3 с усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 30 и микроконтроллером 14.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль ионоселективный (см. фиг. 9 - 10) используют следующим образом. Сенсор 30 предназначен для определения активности ионов потенциометрическим методом, который основан на измерении эдс электрохимической цепи, образованной ионоселективным электродом 31 и вспомогательным электродам 32 сравнения, погруженными в анализируемую среду. Потенциал, возникающий в ионоселективном электроде 31, пропорционален логарифму активности определяемого иона. Далее сигнал усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в аналогово-цифровой преобразователь 15 микроконтроллера 14. Оцифрованный сигнал попадает через разъем 5 к смартфону 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать изменение показателей исследуемой среды в зависимости от концентрации (точнее активности) ионов в данной среде.
Изображенный на фиг. 11 - 12 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для измерения индукции магнитного поля. Основой сенсора 36 данного модуля является датчик 37 Холла. Сенсор 36 неразъемно связан с модулем магнитного поля. Этот модуль, как и предыдущие, состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 или 8 для вывода кабеля 38 сенсора 36. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 12 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Сенсор 36 подключен к электронной плате 3 с усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 36 и микроконтроллером 14.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль магнитного поля (см. фиг. 11 - 12) используют следующим образом. Сенсор 36 предназначен для измерения индукции магнитного поля. Когда его помещают в магнитное поле, то на выходе чувствительного элемента - датчика 37 Холла появляется постоянное напряжение, которое прямо пропорционально соответствующей составляющей вектора индукции магнитного поля. Далее сигнал усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в аналогово-цифровой преобразователь 15 микроконтроллера 14. Оцифрованный сигнал попадает через разъем 5 к смартфону 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать изменение индукции магнитного поля исследуемой среды.
Изображенный на фиг. 13 - 14 съемный мобильный компактный измерительный модуль пульса предназначен для измерения показаний частоты сердцебиения человека. Сенсор 38 данного модуля, по сути, представляет собой прищепку, которая надевается на палец. Он оснащен светодиодом 39 и фотодиодом 40, связанными с измерительным модулем посредством проводов 41. Сенсор 38 неразъемно связан с модулем пульса. Этот модуль, как и предыдущие, состоит из основания 1, съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 или 8 для вывода кабеля с проводами 41. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 14 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Сенсор 38 подключен к электронной плате 3 с усилителями 23 и 24, расположенными между сенсором 38 и микроконтроллером 14.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль пульса (см. фиг. 13 - 14) используют следующим образом. Сенсор 38 одевают на палец, он измеряет количество ударов сердца по оптической плотности пульсирующей в пальце крови. Измерение проводят по принципу источник-среда-приемник. Среда обладает оптической плотностью, которая меняется в зависимости от фазы работы сердца. В момент вброса порции крови желудочком сердца давление крови в артерии на некоторое время немного увеличивается. В этот момент оптическая плотность становится чуть больше, светодиод получает чуть меньше света. Так происходит регистрация сигнала. Сигнал от сенсора 38 усиливается на усилителях 23 и 24 и поступает в аналогово-цифровой преобразователь 15 микроконтроллера 14. Оцифрованный сигнал попадает через разъем 5 к смартфону 4. При увеличении нагрузки на сердце (бег, спортивные упражнения и т.д.) частота сердечных сокращений увеличивается. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать изменение пульса при изменении нагрузки на организм человека.
Изображенный на фиг. 15 - 16 съемный мобильный компактный измерительный одноканальный модуль предназначен для измерения температуры (-10 +110°С). На фиг. 16 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Этот модуль измеряет температуру в жидкой или газообразной среде в диапазоне (-10 +110°С) и включает неразъемно связанный с ним сенсор 43, выполненный на базе полупроводникового чувствительного элемента, например терморезистора 44 GA3K3A1B TE. Сенсор 43 установлен на гибком кабеле 45 и подключен к электронной плате 3 с фильтром 22 и усилителем 23.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль, предназначенный для измерения температуры в диапазоне (-10 +110°С) (см. фиг. 15 - 16), используют следующим образом. Мобильное автономное электронное устройство (смартфон 4) заранее оснащен электронным приложением для работы с измерительными модулями. Измерительный модуль подключают к смартфону 4 с использованием разъема 5 (micro USB либо usb type-c). Терморезистор 44 опускают в исследуемую среду, от микроконтроллера 14 на него подают напряжение. В зависимости от измеряемой температуры сопротивление терморезистора 44 меняется. Сигнал усиливается усилителем 22 и поступает в аналогово-цифровой преобразователь 15 микроконтроллера 14. Оцифрованный сигнал проходит математическую обработку, калибровку и через разъем 5 передается в смартфон 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать зависимость изменения температуры при разных условиях и от исследования разных жидкостей.
На фиг. 17 и 18 представлен двухканальный съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры, который выполнен аналогично вышепредставленному на фиг. 15 и 16 измерительному модулю. Его основное отличие заключается в том, что модуль оснащен двумя сенсорами 43, каждый из которых имеет терморезистор 44 на гибком кабеле 45, выведенных через отверстия 7 и 8 соответственно и подключенных к электронной плате 3 с фильтрами 22 и усилителями 23. Такой измерительный модуль дает возможность проводить верификацию измерений при исследовании одной среды, сравнивать значения при исследовании разных сред, изучать зависимость изменения температуры исследуемой среды от изменения ее объема.
Изображенный на фиг. 19 съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры также имеет некоторые отличия от модуля, показанного на фиг. 15. Его сенсор 46 размещен на конце щупа 47 - трубки из нержавеющей стали, которая находится на конце соединительного кабеля, который, как и предыдущие сенсоры, подключен к электронной плате 3 с фильтрами 22 и усилителями 23. Двухканальный съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры, показанный на фиг. 20, имеет одинаковую конструкцию двух сенсоров 46, каждый из которых размещен на конце щупов 47 - трубок из нержавеющей стали, которые находятся на конце соединительных кабелей, выведенных через отверстия 7 и 8 и подключенных к электронной плате 3 с фильтрами 22 и усилителем 23. Изображенный на фиг. 21 и 22 съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры химический выполнен вибропрочным и имеет свои отличия, которые относятся к изготовлению сенсора 48 на базе термометра сопротивления с рабочим элементом из платины и смонтированным внутри щупа 50 - трубки из нержавеющей стали, которая находится на конце кабеля 51. Сенсор 48 снабжен усилителем 23, расположенными на плате 3. Показанный на фиг. 21 и 22 съемный мобильный компактный измерительный модуль температуры химический необходим для измерения температуры воздуха в закрытых пространствах, нагреваемых поверхностей твердых тел, а также в агрессивных средах, с достаточно высокой точностью. Его можно использовать для исследования температуры химической реакции и управления процессом ее протекания, изучать зависимость изменения температуры исследуемой среды от изменения ее объема, использования катализатора процесса и других действий.
Изображенные на фиг. 23 - 26 съемные мобильные компактные измерительные модули предназначены для измерения тока и напряжения в электрических сетях. На фиг. 24 представлена блок-схема модуля измерения тока, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. На фиг. 25 представлена блок-схема модуля измерения напряжения, содержащая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Оба модуля включает неразъемно связанные с ними или сенсор 55 тока или сенсор 56 напряжения. Сенсоры 55 и 56 выполнены одинаковыми: имеют щуп 57 с двумя электродами 58 и кабель 59. Корпус модуля оснащен отверстием 7 или 8 для вывода кабеля 59, на конце которого размещен щуп 57 с двумя электродами 58. Кабель 59 сенсора 55 тока подключен к плате 3, на которой установлен шунт 60 и усилитель 22. Разъем 5 предназначен для подключения к смартфону 4. Кабель 59 сенсора 56 напряжения подключен к плате 3, на которой установлены делитель 61 и усилитель 23. Разъем 5 также предназначен для подключения к смартфону 4.
Съемные мобильные компактные измерительные модули тока и напряжения (см. фиг. 23 - 26) используют следующим образом. Мобильное автономное электронное устройство (смартфон 4) заранее оснащен электронным приложением для работы с измерительными модулями. Измерительный модуль подключают к смартфону 4 с использованием разъема 5 (micro USB, либо usb type-c). Измерительный модуль для измерения силы тока используют в двух режимах - в электрических цепях постоянного и переменного тока. Щуп 57 подключают, например, к электродвигателю (на рисунке не показано). Действие измерительного модуля тока основано на регистрации напряжения, возникающего на резисторе при протекании по нему тока. После прохождения сигнала через усилитель 22 он поступает в микроконтроллер 14. Оцифрованный сигнал попадает через USB разъем 13 к смартфону 4. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать влияние изменения силы тока на работу, например, электродвигателя. Измерительный модуль напряжения также используют в двух режимах - в электрических цепях постоянного и переменного тока. Изображенный на фиг. 26 двухканальный съемный мобильный компактный измерительный модуль можно выполнять в разных вариантах - для измерения силы тока или измерения напряжения. Такой модуль позволяет проводить тестирование приборов и осуществлять сравнительный анализ показаний, снимаемых с разных приборов.
Изображенный на фиг. 27 - 28 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для контроля положения подвижных частей, например, агрегатов. На фиг. 28 представлена блок-схема модуля измерения положения, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим блок 16 математической обработки и блок 18 преобразователя USB. Модуль включает неразъемно связанные с ним или сенсор 63 положения (4 точки). Сенсор имеет попарно связанные четыре геркона 64 с двумя кабелями 65. Корпус модуля оснащен отверстиями 7 и 8 для вывода кабелей 65. Кабель 65 сенсора 63 положения подключен к плате 3 с микроконтроллером 14. Разъем 5 предназначен для подключения к смартфону 4.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль положения - устройство, с помощью которого можно, например, определять временные интервалы между началом работы (включением) и срабатыванием герконов 64, либо между срабатываниями герконов 64 в любой комбинации. Зная места расстановки герконов 64 можно вычислять скорости и ускорения. Он начинает работать при обнаружении объекта в рабочей зоне и выключается при его отсутствии. Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, фиксировать и изучать перемещение объектов.
Изображенный на фиг. 29 - 32 съемный мобильный компактный измерительный модуль звука с функцией интегрирования предназначен для регистрации амплитуды звуковых колебаний и осциллограммы звуковых колебаний (периодических изменений давления в звуковой волне). Основой сенсора данного модуля является микрофон 67, размещенный внутри корпуса модуля. Корпус этого модуля, как и предыдущих, состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстие для размещения микрофона 67. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 30 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Микрофон 67 подключен к электронной плате 3 с фильтром 22 и усилителями 23 и 24.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль звука с функцией интегрирования можно использовать для наблюдения и регистрации звуковых колебаний и их огибающей при постановке демонстрационных экспериментов, лабораторных и исследовательских работ учащихся в условиях типовых кабинетов физики основной и полной средней школы и учреждений начального и среднего профессионального образования, а также для практических и исследовательских работ в высшей школе. Загруженное в смартфон 4 приложение может представить результаты исследования на мониторе в двух режимах - в виде осциллограммы звуковых колебаний и в форме зависимости амплитуды колебаний от времени. В последнем случае информация о фазе колебаний не регистрируется, а изменения амплитуды колебаний рассматриваются за время, существенно превышающих их период. Плата 3 обеспечивает стабилизированное питание микрофона 67, усиление и оцифровывание сигнала, формирование данных по дополнительному каналу, пропорциональных уровню входного сигнала.
На фиг. 31 и 32 изображен двухканальный съемный мобильный компактный измерительный модуль звука с вынесенными микрофонами 67 на кабелях 68. Такое выполнение модуля позволяет расширить сферу его применения, например, его можно использовать для синхронной регистрации осциллограмм звуковых колебаний в двух точках области распространения звуковых волн. Меню настройки модуля позволяет выбрать режим регистрации данных (автоматический / ждущий / однократный), скорость развертки сигнала на экране смартфона 4 (от 0.1мс/дел. до 100мс/дел.), уровень запуска и положение момента запуска на экране смартфона 4.
Показанный на фиг. 33 - 34 съемный мобильный компактный измерительный модуль частоты дыхания предназначен для измерения скоростных показателей дыхания. Такой модуль оснащен надеваемой на лицо маской 70, в которой закреплен чувствительный элемент - терморезистор 71, например, GA3K3A1B TE. Корпус этого модуля включает основание 1 и съемную крышку 2, электронную плату 3, размещенную внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстия 7 и 8 для сенсоров. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 33 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, содержащим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Терморезистор 71 расположен внутри канала маски 70, через который проходит основной объем вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, и снабжен кабелем 72, подключенный к электронной плате 3 с фильтром 22 и усилителем 23.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль частоты дыхания благодаря наличию маски 70 позволяет проводить измерения в состоянии покоя и при физической нагрузке. Поскольку температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха отличаются, модуль регистрирует рост и снижение температуры, соответствующие каждому циклу дыхания. Температура выдыхаемого воздуха близка к температуре тела человека и таким образом выше комнатной температуры. Поэтому при выдохе регистрируемая модулем температура повышается, а при вдохе, когда мимо терморезистора 71 идет более холодный окружающий воздух, падает. Загруженное в смартфон 4 приложение может представить результаты исследования на мониторе смартфона 4 в виде двух графиков - зависимости температуры чувствительного элемента от времени и зависимости частоты дыхания от времени Приложение, загруженное в смартфон 4, анализирует пики на графике температуры и по их количеству в единицу времени определяет частоту дыхания.
На фиг. 35 - 36 изображен съемный мобильный компактный измерительный модуль абсолютного давления. На фиг. 36 представлена блок-схема этого модуля, содержащая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Модуль для измерения абсолютного давления включает неразъемно связанный с ним сенсор, выполненный на базе вмонтированного в микросхему пьезорезистивного тензодатчика 74, подключенного к электронной плате 3 с фильтром 22 и усилителями 23 и 24.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль абсолютного давления (см. фиг. 35 - 36) используют для измерения давления газов, жидкостей, в том числе агрессивных. Мобильное автономное электронное устройство (смартфон 4) оснащен электронным приложением для работы с измерительными модулями. Измерительный модуль подключают к смартфону 4 с использованием разъема 5 (micro USB либо usb type-c). Приложение на смартфоне 4 позволяет преобразовывать информацию от микроконтроллера 14 в цифровой и графический вид, управлять процессом проведения измерений, отправляя команды на микроконтроллер 14, изучать зависимость изменения абсолютного давления от исследования разных сред.
Изображенный на фиг. 37 - 38 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для измерения артериального давления человека. На фиг. 38 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим аналогово-цифровой преобразователь 15, блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Модуль для измерения артериального давления включает неразъемно связанные с ним сенсоры, выполненные на базе вмонтированных в микросхему пьезорезистивных тензодатчиков 75 и 76. Тензодатчик 75 подключен к аналогово-цифровому преобразователю 15, а тензодатчик 76 установлен в измерительном приборе и снабжен входным штуцером для подключения манжеты 77 с нагнетателем 78 воздуха с помощью шланга (гибкой трубки) 79. Тензодатчик 76 установлен на электронную плату 3 с фильтром 22 и усилителями 23 и 24.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль артериального давления (см. фиг. 37 - 38) используют для иллюстрации осциллометрического метода измерения артериального давления, а также методики измерения на основе тонов Короткова. Мобильное автономное электронное устройство (смартфон 4) оснащен электронным приложением для работы с измерительными модулями. На мониторе смартфона 4 можно получать информацию в виде двух зависимостей от времени: одна кривая показывает изменение общего уровня давления в манжете, а вторая кривая представляет пульсации давления на фоне убывающего общего уровня давления. Измерительный модуль подключают к смартфону 4 с использованием разъема 5 (micro USB либо usb type). Возможность периодического измерения сразу и абсолютного давления, и артериального давления в течение длительных промежутков времени позволяет провести исследование метеозависимости человека, то есть зависимости изменения артериального давления от атмосферного.
Изображенный на фиг. 39 - 40 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для регистрации освещенности в помещении и на открытом воздухе и выполнен на базе фотодиода 80, интегрированного в микросхему (MAX44009) с цифровым выходом и расположенного в корпусе модуля. Корпус этого модуля также состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5 и отверстие для размещения фотодиода 80, который имеет максимум чувствительности в зеленой области спектра. Фотодиод 80 смонтирован на поверхности крышки 2 и имеет защиту от ИК-излучения. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 39 представлена блок-схема этого модуля, содержащая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль освещенности можно использовать для наблюдения и регистрации степени освещенности или затененности при постановке демонстрационных экспериментов, лабораторных и исследовательских работ учащихся в условиях типовых кабинетов физики основной и полной средней школы и учреждений начального и среднего профессионального образования, а также для практических и исследовательских работ в высшей школе. Плата 3 обеспечивает стабилизированное питание фотодиода 80, формирование данных по дополнительному каналу, пропорциональных уровню входного сигнала. Модуль обеспечивает представление данных на мониторе смартфона 4 в виде зависимости освещенности от времени.
Изображенный на фиг. 41 - 42 съемный мобильный компактный измерительный модуль предназначен для регистрации относительной влажности воздуха. Сенсор 81 влажности сделан на базе вмонтированного в микросхему полупроводникового чувствительного элемента, например, HTS221, который смонтирован в корпусе модуля и имеет защитную оболочку из полимера, которой представляет собой емкостной диэлектрик планарной структуры, не ограничивающий доступ к нему воздуха. Корпус этого модуля, как и предыдущих, состоит из основания 1 и съемной крышки 2, электронной платы 3, размещенной внутри основания 1, и разъема 5 (micro USB либо usb type-c) для соединения со смартфоном 4. В корпусе имеются отверстие 6 для размещения разъема 5. Внутри основания 1 имеются установочные ребра 9 для размещения платы 3 и пазы 10 для фиксации крышки 2. Крышка 2 оснащена прижимами 11 для платы 3, фиксаторами 12 защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами 10 основания 1 и фиксатором 13 для разъема 5. На фиг. 42 представлена блок-схема этого модуля, включающая электронную плату 3 с микроконтроллером 14, включающим блок 16 математической обработки, блок 17 калибровки, блок 18 преобразователя USB. Сенсор 81 подключен к микроконтроллеру 14 электронной платы 3.
Съемный мобильный компактный измерительный модуль влажности можно использовать для наблюдения и регистрации влажности в помещениях и вне помещений, при постановке демонстрационных экспериментов, лабораторных и исследовательских работ учащихся в условиях типовых кабинетов физики основной и полной средней школы и учреждений начального и среднего профессионального образования, а также для практических и исследовательских работ в высшей школе. Загруженное в смартфон 4 приложение может представить результаты исследования на мониторе смартфона 4 в форме зависимости влажности от времени. Плата 3 обеспечивает стабилизированное питание сенсора 81, и формирование данных, пропорциональных уровню входного сигнала (калибровка).
Съемные мобильные компактные измерительные модули могут быть использованы по отдельности и в сборе, как компактная мобильная лаборатория, для проведения различных исследований и цифровой обработки поступающих от них сигналов. Измерительные модули можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Перед проведением экспериментов со съемными мобильными компактными измерительными модулями ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники, работы каждого модуля и соответствующего раздела физики, химии и биологии и т.д. Использование в программе обучения этих измерительных модулей дает возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе с электронной и измерительной техникой за стенами учебного заведения: на природе, в производственных и бытовых помещениях.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в миниатюризации и повышении универсальности и многофункциональности съемных измерительных модулей с возможностью проведения различных демонстраций в сборе с мобильным автономным электронным устройством и изменением условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Съёмный мобильный компактный измерительный модуль, включающий компактный корпус с элементами механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству, включающий разъём и держатель, расположенные в корпусе чувствительный элемент и электронную плату с аналогово-цифровым преобразователем, и выполненный с возможностью управления посредством программы этого мобильного автономного электронного устройства и графического отображения полученных цифровых данных, отличающийся тем, что чувствительный элемент связан с корпусом неразъёмно, причем корпус состоит из основания и съёмной крышки, электронная плата размещена внутри основания, в корпусе имеются отверстие для размещения разъёма и отверстия и для вывода чувствительного элемента, внутри основания имеются установочные ребра для размещения платы и пазы для фиксации крышки, крышка оснащена прижимами для платы, фиксаторами защелкивающегося типа для взаимодействия с пазами основания и фиксатором для разъёма, при этом электронная плата дополнительно включает в себя аналоговую часть, причем элементы механического и электрического присоединения к мобильному автономному электронному устройству выполнены универсальными, а разъём выполнен либо в виде micro USB, либо в виде usb type-c.
