Файл: 4. 3 Технологии, методическое обеспечение и условия отложенного контроля знаний, умений, навыков обучающихся и компетенций выпускников.pdf

15
4.3
Технологии, методическое обеспечение и условия
отложенного контроля знаний, умений, навыков
обучающихся и компетенций выпускников,
сформированных в результате изучения дисциплины
Перечень основных ключевых разделов дисциплины, формирующих теоретические и практические знания, умения и компетенции, необходи- мые для использования в дальнейшей учебной работе бакалавров и их бу- дущей практической деятельности после окончания вуза:
1) обработка результатов измерения при наличии систематических погрешностей;
2) обработка результатов измерения при наличии случайных по- грешностей;
3) инструментальные погрешности и формы их представления;
4) обработка результатов измерений с учетом инструментальных по- грешностей;
5) методические погрешности вольтметров при измерении сигналов сложной формы;
6) учет инструментальной погрешности при выборе измерительного прибора;
7) выбор режима работы измерительного прибора на основе анализа его технических характеристик.
5
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАЗДЕЛАМ КУРСА
5.1
Основы метрологии
Основные понятия метрологии
Метрология – это наука об измерениях, методах и средствах обеспе- чения их единства и способах достижения требуемой точности. В соответ- ствии с определением наука метрология охватывает три родовых понятия:
1) законодательную метрологию, разрабатывающую вопросы, нужда- ющиеся в регламентации и контроле со стороны государства и направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений;
2) теоретическую метрологию – раздел метрологии, относящийся к изучению ее теоретических основ;
3) практическую метрологию – раздел метрологии, посвященный изучению вопросов практического применения в различных сферах дея- тельности результатов теоретических исследований.
В данном разделе основное внимание уделено теоретической метро- логии, являющейся фундаментом практической метрологии. При изучении этого раздела, прежде всего, необходимо уяснить, что является предметом

16 метрологии законодательной, теоретической, практической. Какие задачи она решает? Что понимать под единством и требуемой точностью измере- ний? Знать этапы исторического развития метрологии и электрических из- мерений, их особенность. Роль и значение метрологии для научного и тех- нического прогресса на каждом этапе.
Литература [2, 4].
Измерения и физические величины. Международная система (СИ)
При изучении этого раздела необходимо усвоить терминологию мет- рологических понятий и определений, связанных с физической величиной и ее измерением. Надо обратить внимание не только на технические, но и на философские аспекты понятий физической величины, размера, истин- ного и действительного значения, а также понятия измерения физической величины и необходимых для этого условий.
Знать принципы построения системы единиц физической величины.
Основные и производные единицы и их размерности.
Знать международную систему единиц - СИ. Кратные и дольные единицы. Внесистемные единицы. Правила написания и обозначения еди- ниц физических величин. Знать, что понимают под информацией и сигна- лом измерительной информации. Усвоить смысл классификации сигналов на детерминированные и случайные и их разновидности.
Литература [1 - 6].
Меры, эталоны, образцовые и рабочие средства
Необходимо уяснить для каких целей служат меры. Целесообразно выделить меры, воспроизводящие электрические величины. Следует иметь представление об устройстве мер электрических величин и о способах пе- редачи размеров единиц. Особое внимание обратить на требования, кото- рые предъявляются к мерам.
Литература [1 - 6].
5.2
Методы и средства измерений
Основное уравнение измерений
Необходимо знать, что любое измерение осуществляется сравнением измеряемой физической величины с мерой, значение которой известно с требуемой точностью. Результатом измерения является количественная оценка какого-либо свойства объекта.
Понятие о классификации измерений, то есть способов сравнения измеряемой величины с мерой, является ключевым для изучения последу- ющих разделов. Необходимо не только уметь правильно дать определение видов и методов измерения и их разновидностей, но и уметь показать это на конкретных примерах.

17
Нужно понимать разницу между физической и непосредственно из- меряемой величиной. Связующим звеном между ними является идеализи- рованная модель реального объекта. Таких моделей может быть много, важно чтобы они с достаточной степенью адекватности отражали интере- сующее нас свойство объекта.
Литература [1, 3, 5, 6].
Виды и методы измерения
При внимательном изучении измерение представляется сложным понятием, включающим в себя ряд структурных элементов, основными из которых являются: цель измерения, объект исследования, модель объекта, измеряемая величина, средства измерений, результат и погрешность изме- рения. Изучение структурных элементов является необходимой предпо- сылкой грамотного планирования эксперимента и его основных этапов – подготовки, самого эксперимента и обработки экспериментальных данных.
Хорошо было бы показать это на конкретном примере и охарактеризовать каждый этап.
Литература [1, 3, 5, 6].
5.3
Теория оценки качества измерений
Теория погрешностей
Необходимо знать не только общее определение погрешности, но и ее физический смысл, природу, а также классификацию погрешностей из- мерения в зависимости от характера и причин ее проявления, В первую очередь усвоить различия между систематической и случайной погрешно- стями. Знать наиболее характерные источники погрешностей.
Следует обратить особое внимание на разнообразие систематических погрешностей и характер их проявления, а также на способы их выявления и исключения и математического представления. Уметь иллюстрировать конкретными примерами.
Литература [2, 4].
Статистические методы и алгоритмы обработки результатов
многократных измерений.
Необходимо вспомнить понятия случайных величин и законов их распределения, плотности вероятности, дисперсии, среднеквадратичного отклонения и их оценки; генеральной совокупности и выборки. Исходя из этих понятий, следует уяснить специфику законов распределения случай- ных погрешностей измерений и, в частности, закон Гаусса. Следует четко уяснить различие между дисперсией и оценкой дисперсии; между средне- квадратичной погрешностью отдельного измерения (стандартная погреш-

18 ность) и погрешностью среднеквадратичной ряда измерений, то есть окон- чательного результата измерений, и их оценок; что любое измерение не имеет смысла без оценки его погрешности и что оценка эта носит вероят- ностный характер.
Погрешность измерения, как правило, представляет совокупность ряда составляющих. Влияние этих составляющих на результат измерения неодинаково. Следовательно, при обработке ряда измерений нужно уметь правильно оценить это влияние и определять полную величину погрешно- сти. Именно эта работа является наиболее трудоемкой и требует от испол- нителя высокой квалификации.
Литература [2, 4].
5.4
Поверка и калибровка средств измерений
Средства измерения
Электромеханические измерительные приборы. Электронные анало- говые приборы. Приборы сравнения. Цифровые измерительные приборы.
Регистрирующие измерительные приборы. Измерительные преобразователи.
Литература [1, 3, 5, 6].
Теория точности средств измерений. Литература [1 - 6].
В разных точках диапазона измерения погрешность СИ может при- нимать различные значения, поэтому необходимо нормировать пределы допускаемых погрешностей, а следовательно, устанавливать какие-то гра- ницы, за пределы которых погрешность не должна выходить ни при изго- товлении, ни в процессе эксплуатации. Пределы допускаемых погрешно- стей средств измерений электрических величин установлены ГОСТ 8.401-80
«
ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования».
Поверка средств измерения.
Инженеру приходится иметь дело с множеством разнообразных средств измерений. Важно уметь выбрать среди них те, которые обеспечат наиболее рациональную организацию методики измерений и требующую- ся в данных условиях точность, поэтому прежде всего следует хорошо усвоить классификацию средств измерений. Изучить их структурные схе- мы и метрологические характеристики, влияющие на точность и погреш- ность измерения. Следует рассмотреть типичные составляющие погрешно- сти средств измерений.
При этом надо четко понимать различие между погрешностями из- мерений и погрешностями средств измерений. Особо уделить внимание тем характеристикам свойств средств измерений, которые регламентиру- ются в нормативно-технической документации, и рассмотреть формы представления метрологических характеристик. С особой тщательностью

19 следует изучить классы точности, так как с ними постоянно приходится сталкиваться на практике, и уяснить, чем следует руководствоваться при выборе класса точности для конкретного измерения.
Изучая тему, нужно четко усвоить структурные схемы приборов непосредственной оценки и общие принципы устройства и работы элек- тромеханических измерительных приборов. Знать условные обозначения систем электромеханических приборов и параметры, указываемые на их шкалах и корпусе. Принцип действия приборов каждой системы, вывод уравнения шкалы, область применения, основные характеристики, досто- инства и недостатки, способы расширения пределов измерения.
Следует обратить внимание на принципиальное отличие цифровых приборов от аналоговых. Необходимо знать, из каких основных узлов со- стоят цифровые приборы, каков принцип их действия на уровне структур- ных схем. Основные характеристики и источники погрешности цифровых приборов.
Литература [1, 3, 5, 6].
5.5
Прикладная метрология
Измерения электрических величин.
Это один из важнейших разделов курса. При изучении его нужно ак- центировать внимание не столько на измерении конкретных величин, сколько на разнообразии средств, видов, методов и приемов измерения од- них и тех же величин в зависимости от конкретных условий и требуемой точности.
Только овладение физическими принципами и методами измерения позволит ориентироваться в многочисленных и разнообразных средствах измерения и производить правильный их выбор, обеспечивающий необхо- димую точность.
Литература [1, 3, 5, 6].
Электрические измерения неэлектрических величин
Разнообразие приборов для измерения неэлектрических величин электрическими методами очень велико, поэтому изучение конкретных приборов практически не имеет смысла. В результате изучения материала этой темы у студентов должно сложиться общее представление о методах измерения неэлектрических величин электроизмерительными приборами, физических принципах, заложенных в конструкции преобразователей не- электрических величин в электрические, методах устранения влияния внешних факторов. Уяснить возможность применения одних и тех же ти- пов преобразователей для измерения различных величин.

20
При изучении приборов и преобразователей для измерения неэлек- трических величин следует вначале уяснить, что для этих целей могут ис- пользоваться любые электроизмерительные приборы, снабженные измери- тельными преобразователями неэлектрической величины в электрическую.
Уяснить классификацию преобразователей по принципу их работы и по входной и выходной величине. Затем перейти к изучению каждого типа преобразователей, обращая особое внимание на функцию преобразования.
Литература [1, 3, 5, 6].
5.6
Метрологический контроль и надзор
Основные методы и схемы поверки.
Метрологическая служба не является непосредственной сферой дея- тельности практикующего инженера, тем не менее инженеру необходимо иметь представление об ее структурной организации и задачах, которые она решает; знать, какие требования предъявляются при разработке техни- ческой документации, новых приборов, устройств, систем.
Литература [2, 4].
5.7
Стандартизация
Основные термины и определения. Нормативные документы по
стандартизации, виды стандартов и их применение. Правовые основы
стандартизации.
Для приведения показателей, устанавливаемых стандартами, в соот- ветствие с современным научно-техническим уровнем было пересмотрено большое количество устаревших стандартов и внесены изменения в ряд действующих стандартов. Государственные стандарты России наряду с ос- новными, качественными показателями стали регламентировать показате- ли надежности и долговечности изделий. Разработаны первые перспектив- ные стандарты в области электроники, отражающие последние достижения науки, техники, современных технологий и мировой опыт промышленного производства.
Литература [2, 4].
6
КОНТРОЛИРУЕМАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
«
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
ПРИ НАЛИЧИИ СЛУЧАЙНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ»
Основной формой заочного обучения является самостоятельная работа над рекомендуемой литературой.
До начала сессии студенты должны выполнить и сдать на проверку контрольную работу, которая состоит из четырех частей. Каждая часть

21 направлена на закрепление теоретического материала, на формирование знаний, умений и навыков, определяющих профессиональную деятель- ность бакалавра по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».
Если в результате многократных измерений физической величины была получена выборка случайных значений {X}, то после проведения ее статистической обработки следует указать интервал значений от X1 до X2, в котором заключено истинное значение измеряемой величины. Этот интер- вал называется доверительным, а численные значения X1 и Х2 называются границами доверительного интервала, соответственно, вероятность нахож- дения истинного значения величины в границах (X1; Х2) называется дове- рительной вероятностью.
Доверительный интервал может быть выражен через среднее арифме- тическое выборки ряда наблюдений (А) и граничные значения погрешностей относительно среднего арифметического (εl и ε2). Надежность доверитель- ного интервала задает доверительная вероятность, определяемая как вероят- ность нахождения случайной погрешности (ε) в пределах доверительного интервала. Поскольку деление погрешностей на систематические и случай- ные достаточно условно, то иногда принято систематические погрешности также оценивать по методике, справедливой для случайных величин, с при- менением равномерного закона распределения плотности вероятности.
Внешние воздействия определяют характер поведения случайных погрешностей и приводят к тому, что сам ряд данных многократного наблюдения {X
i
}, i = 1 ... n
становится выборкой случайных величин. При большом числе возмущающих факторов их суммарное воздействие вызы- вает появление случайных погрешностей, подчиняющихся нормальному закону распределения плотности вероятности.
6.1
Обработка результатов измерения
Задание 1. Для выборки экспериментальных данных, полученных при измерении выходного напряжения генератора, определить границы доверительного интервала при заданной доверительной вероятности Р
Д
Расчеты проводить в первом случае с использованием таблиц нормального закона, во втором – таблиц Стьюдента (приложение А). Объяснить разницу полученных результатов. При измерении используется цифровой вольт- метр. В таблице 7 для вариантов приведены номер выборки, доверительная вероятность Р
Д
, класс точности вольтметра с/d и предел измерения U
k
Числовые данные конкретной выборки необходимо взять из таблицы 8.
Номер варианта определяется как сумма двух последних цифр номера
зачетной книжки.

22
Таблица 7 – Таблица вариантов исходных данных
Вари ант Выборка
Р
Д
U
k
,
В
с/d
Вари ант Выборка
Р
Д
U
k
,
В
с/d
00 1 0,5 1
0,1/0,05 01 3 0,6 10 0,5/0,05 02 1 0,6 1
0,2/0,1 03 3 0,7 10 0,2/0,1 04 1 0,7 1
0,2/0,05 05 3 0,8 10 4,0/1,5 06 1 0,8 1
0,5/0,005 07 3 0,9 10 0,1/0,05 08 1 0,9 1
1,0/0,1 09 3 0,95 10 0,2/0,1 10 2 0,95 1
1,5/0,1 11 4 0,98 100 0,5/0,05 12 2 0,98 1
4,0/1,5 13 4 0,99 100 4,0/1,5 14 2 0,99 1
0,1/0,05 15 4 0,997 100 0,5/,005 16 2 0,997 1
0,2/0,1 17 4 0,5 100 4,0/1,5 18 2 0,5 1
1,1/0,05 19 4 0,6 100 0,2/0,05
Таблица 8 – Числовые данные выборки
Выборка Единица измерения {U
i
}, i = 1…10 1 мВ
952,5; 957,0; 955,5; 953,0; 954,5;
954,9; 955,1; 956,8; 955,2; 952,5 2 мВ
852,5; 857,0; 855,5; 853,0; 854,5;
854,9; 854,8; 855,1; 855,2; 852,5 3
В
6,525; 6,551; 6,545; 6,562; 6,549;
6,538; 6,525; 6,555; 6,545; 6,557;
4
В
85,61; 85,52; 85,39; 85,48; 85,25;
85,55; 85,45; 85,45; 85,55; 85,22
После завершения решения задачи результат должен быть представ- лен следующими численными значениями: средним арифметическим вы- борки, граничными значениями погрешностей, границами доверительного интервала и доверительной вероятностью.
Задание 2. Определение доверительной вероятности при заданном доверительном интервале. Для выборки случайных величин задания 1 определить значение доверительной вероятности, если заданы граничные значения погрешностей в процентном отношении к среднему арифметиче- скому: εl – нижняя граница, ε2 – верхняя граница. Значения εl и ε2 приведе- ны в таблице 9.
Таблица 9 – Таблица значений
Вариант
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
εl, %
-0,1 0,1
-0,1
-0,2
-0,3
-0,05
-0,02 0
0
-0,1
ε2,
% 0,2 0,2 0,1 0,1 0 0,05 0,05 0,05 0,1 0,15
Вариант
11 12 13 14 15 16 17 18 19 00
εl, %
-0,01
-0,05
-0,05
-0,1
-0,02
-0,02 -0,015
-0,1
-0,1
-0,05
ε2,
% 0,01 0,02 0,1 0,05 0,02 0,01 0,02 0,15 0,2 0,05

23
Задание 2 рекомендуется выполнять в следующей последовательно- сти: используя вычисленное ранее значение «А», рассчитать εl и ε2 (грани- цы погрешности); затем по формуле определить безразмерные коэффици- енты t1 и t2 и по таблицам найти доверительную вероятность Р
Д
Форма записи результата:
Р[Х1 ≤ М ≤ Х2] = Р
Д
, где доверительная вероятность определяется по таблицам нормального закона и закона Стьюдента.
6.2
Инструментальные погрешности и формы их представления
Инструментальные погрешности цифровых вольтметров обычно описываются трехчленной формулой относительной погрешности:
















1
δ
U
U
d
c
k
, где δ, с и d – выраженные в процентах максимальные относительные по- грешности; U
k
– верхняя граница диапазона измерения вольтметра (конеч- ное значение шкалы прибора); U – текущее значение измеряемой величины.
Изменяя текущее значение напряжения, можно построить график распределения относительной погрешности (модуля) по диапазону изме- рения.
Задание 3. Построить графики распределения относительной и абсо- лютной погрешностей по диапазону измерения для цифрового вольтметра.
Рассчитать значения относительной и абсолютной погрешностей, которые соответствуют среднему арифметическому значению выборки «А», опре- деленному в задании 1. Найти относительную погрешность среднего арифметического δ(А). Определить абсолютную максимальную погреш- ность в точке шкалы, соответствующей значению «А»:
Q =
δ(А) · А / 100 %.
Данные своего варианта, необходимые для расчета задания 3, взять из таблицы 7.
При начертании графиков следует придерживаться масштаба и ука- зывать размерность величин, отложенных по координатным осям.