P . J a n d e r k a M ě ř e n í v c h e m i i p o m o c í P C
/1/
Měření v chemii pomocí PC
Při mnoha fyzikálně chemických měřeních je třeba měřit a registrovat závislost určité
fyzikálně chemické veličiny na čase nebo na jiné veličině, která se v čase mění
s konstantní rychlostí. K tomu je nutno provádět většinou nudná měření ,,bod po bodu" např. se
stopkami v ruce nebo s pomocí jednoúčelových zařízení s vestavěným zapisovačem (např.
polarograf, spektrometr atd.). V prvním případě je výsledkem měření obvykle ,,řídký" soubor
bodů o souřadnicích x,t popř. x,y, resp. dva vektory veličin x a t popř. x a y..Ve druhém případě
získáme klasický spojitý záznam funkční závislosti y=f(t) či y=f(x). Chceme-li
při vyhodnocování, přípravě grafů nebo při přípravě prezentace použít perzonální počítač (PC),
stojíme před problémem jak mu naměřená data dát na vědomí, tj. jak vytvořit z naměřených dat
či funkčních závislostí datový soubor. Nesporně nejelegantnějším řešením je použití
jednoúčelového měřícího přístroje spojeného on line s počítačem. Toto však bývá málokdy
možné a v praktiku z fyzikální chemie až na výjimky vůbec ne. Jedno z možných řešení je
založeno na přímém měření, registraci a případně i řízení experimentu cestou propojení
sledovaného experimentálního systému s počítačem. Pro neelektronicky orientované chemiky to
není triviální úkol. Především je třeba, aby sledované veličiny (mimo čas) byly elektrickými
veličinami (proud, napětí, odpor, vodivost, kapacita) nebo aby je bylo možné na elektrické
veličiny převést. Dále je třeba mít k dispozici - mimo počítač sám - elektronickou desku
s analogově/digitálním a digitálně/analogovým převodníkem, tzv. ADDA desku s potřebným
ovládacím programem. Tato deska zajistí digitalizaci sledované veličiny, tj. měření této veličiny
v pravidelných časových intervalech. Naměřená data jsou pak ukládána spolu s dalšími
potřebnými informacemi v datovém souboru, kde jsou k dispozici k dalšímu zpracování
v elektronické formě.
Chemické experimenty mají oproti jiným experimentům (např. ve fyzice) některé zvláštnosti:
ˇ obvykle není nutno měřené veličiny snímat s vysokou frekvencí měření, většinou vystačíme
s frekvencí do 10Hz,
ˇ často se pracuje v agresivním prostředí kyselin, louhů a organických rozpouštědel, tomu musí
být přizpůsobena konstrukce čidel.
K realizaci takových ,,otevřených", počítačem podporovaných experimentálních aparatur je třeba
mít k dispozici řadu technických (hardware, HW) a programových (software, SW) prostředků.
Získání potřebného souboru navzájem komunikujících prostředků je možné pomocí tzv.
Školního experimentálního systému ISES (Intelligent School Experimental System).
Popis a charakteristika měřícího systému ISES
Počítačový měřící systém ISES (Mentar s.r.o.& PC-IN/OUT, ČR) představuje školní
experimentální systém, který umožňuje realizovat reálné experimenty (fyzikální,
chemické, biologické a další), jejich průběh a výsledky monitorovat, zpracovávat a případně
také prostřednictvím počítače řídit. Školní experimentální systém ISES je dodáván jako
souprava technického vybavení (hardware) a programového vybavení (software).
P . J a n d e r k a M ě ř e n í v c h e m i i p o m o c í P C
/2/
TECHNICKÉ PROSTŘEDKY
Soubor technických prostředků reprezentujících ISES jsou: AD/DA převodníková deska
která je vsunuta do sběrnice počítače, ovládací panel a měřící moduly. ISES je dodáván
ve třech provedeních. Nejjednodušší je model COM, který je snadno přenosný, převodníková
deska je nainstalována přímo do ovládacího panelu, který je pouze kabelem spojen s libovolným
počítačem s předinstalovaným ovládacím programem. Ovládací program je však dosud vyvinut
pouze ve verzi pro DOS. Další verze STANDARD a PROFESSIONAL se liší kvalitou ADDA
karty. Verze PROFESSIONAL je vhodná pro nejnáročnější aplikace, pro sledování rychlých
dějů (vzorkovací frekvence je 63 kHz). Ovládací software je vyvinut jak pro DOS tak
i pro Windows. Měřící moduly jsou k dispozici následující: TEPLOMĚR (-200
C - 1200
C),
VOLTMETR ( 10V, 1V, 100mV, 10mV; symetrické rozsahy: +/-5V, +/-0,5V, +/-50mV, +/-
5mV), AMPÉRMETR (1A, 100mA, 10mA, 1mA; symetrické rozsahy: +/-0,5A, +/-50mA, 5mA,
0,5mA), oba pro stejnosměrný i střídavý signál. Dále modul OHMETR (1,10,100k , 10M ),
MĚŘIČ KAPACIT (1, 10, 100nF, 10 F ), PH-METR, KONDUKTOMETR (100mS, 10mS, 1mS,
0,1mS). Pro didaktické použití jsou k dispozici další moduly jako: siloměr, optická závora,
snímač polohy, detektor hladiny, proudový booster, EKG, anemometr, lékařský teploměr.
Sortiment je dále rozšiřován. Pozn.: TUČNĚ označené moduly jsou k dispozici na naší katedře.
Další důležitou technickou součástí ISESu je ovládací panel. Umožňuje pohodlné měření,
případně ovládání experimentů. Prostřednictvím patnácti pinových konektorů se k němu
připojují měřící moduly (vstupní kanály). Signál je možné přivést připojením i pomocí
klasických svorek - banánků. Na panelu jsou k dispozici i výstupní kanály. Správná činnost
kontrolního panelu je signalizována svítícími červenými indikátory (LED diody). Kontrolní
panel je kabelem propojen s ADDA deskou v počítači. Panel automaticky detekuje všechny
připojené moduly soupravy ISES a nastavení jejich rozsahů.
PROGRAMOVÉ VYBAVENÍ
Pro soupravy ISES STANDARD a PROFESSIONAL jsou vyvinuty verze ovládacího
software pro DOS i pro Windows. V dalším textu bude pojednáno pouze o verzi pro MS
Windows. Jedná se o verzi ISES v. 2.0 pro Windows 3.1 a vyšší. Software je trvale nainstalován
na disku v adresáři C:\ISESWIN. Data jsou ukládána do adresáře
C:\ISESWIN\DATA\dalsi_adresar.
V dalším textu je podrobněji popsána práce s programem ISES, jeho možnosti a postupy
při realizaci experimentů. Od posluchačů je očekávána znalost ovládání operačního systému
Windows a filozofie práce s programy pracujícími pod tímto systémem.
Prostředí programu ISES principiálně umožňuje:
ˇ zakládání-plánování nového experimentu, ukládání výsledků do souboru, tisk zvolených
výsledků, export dat,
ˇ měření v rámci nového nebo v rámci dříve naplánovaného experimentu a sledování průběhu
experimentu na monitoru,
ˇ zobrazení dat získaných v rámci měření, definování vzhledu panelů a grafů, způsob definice
zobrazení naměřených dat, popis dostupných funkcí atd., zvětšování a zmenšování libovolné
části pracovní plochy, tj. funkce ,,zoom" či ,,lupa",
P . J a n d e r k a M ě ř e n í v c h e m i i p o m o c í P C
/3/
ˇ nezanedbatelnou součástí programu ISES jsou nástroje pro dodatečné zpracování naměřených
dat jako: odečet hodnot, určité integrály, integrace závislosti, derivace závislosti, vyhlazování
křivek atd.
ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE
Organizace dat.. Veškerá data zpracovávaná programem ISES, lze chápat jako hodnoty
veličin, získaných (naměřených) jejich odečtem z měřící aparatury. Data přicházejí do
kontrolního panelu vstupem, který budeme označovat kanál a jednotlivé kanály jsou označené
písmeny A, B, C atd. shodně s označením na kontrolním panelu. Pozn.: Kanály rozlišujeme na
vstupní a výstupní, podle směru toku dat. Měřením rozumíme data, která vznikla současným
načítáním a záznamem hodnot z jednoho nebo více kanálů. Měření je charakterizováno
základními údaji o frekvenci odečítání těchto hodnot, a době trvání měření, o měřených
modulem, použitých kanálech atd.
Základní organizační a pracovní jednotkou programu ISES je ,,experiment". Experiment
obsahuje:
ˇ jedno nebo více měření,
ˇ informace o organizaci měření,
ˇ informace pro zobrazení,
ˇ informace o zobrazení dat a manipulaci s nimi.
Všechny uvedené informace tvoří datový soubor experimentu, mohou se uložit do souboru
<zvolený_název.IEX>. Vlastní experimentální data mohou být k dalšímu elektronickému
zpracování exportována do jiných volitelných formátů, mimo jiné do formátu programu Excel
(.XLS), který je čitelný např. i pro Grapher pro Windows (Golden Software).
Zobrazení dat. Základem pro zobrazení dat je okno experimentu. Okno experimentu může být
rozděleno do několika samostatných ploch - panelů. Každý z panelů představuje samostatnou
plochu pro zobrazení příslušných dat a je nezávislý na ostatních panelech. V každém panelu
může být zobrazeno několik tzv. zobrazení. K zobrazení X lze přiřadit data z jednoho nebo více
kanálů podle definice:
X A= nebo X A B= + (0.1.)
kde X je označení zobrazení a A, B jsou označení kanálů s daty.
Experiment. Experiment představuje kompletní soubor dat a informace o jejich zobrazení
a o zobrazení dat vzniklých jejich dodatečným zpracováním. K tomu je nutno použít buď již
dříve realizovaného (definovaného) experimentu, založit experiment nový včetně parametrů
měření. Parametry měření je vhodné uložit na disk do souboru <jméno_souboru.IMC>, tak aby
jej bylo možné použít opakovaně.
P . J a n d e r k a M ě ř e n í v c h e m i i p o m o c í P C
/4/
ORIENTAČNÍ ZNAČKY:
Úvod k skupině laboratorních úloh
Teorie a vztahy k vyhodnocení úlohy
? Úkol (otázka na níž odpovídá závěr laboratorní úlohy)
Přístroje, potřeby a chemikálie potřebné k provedení úlohy
Důležitá informace nebo upozornění
Pracovní postup
Způsob vyhodnocení
Co nezapomenout uvést v protokolu (viz obecná osnova v kap. 13)