Метрологический анализ: Рабочая программа дисциплины

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет приборостроения и информационной техники Кафедра метрологии и систем качества

Экземпляр №___

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Рабочая программа учебной дисциплины

Образовательная программа подготовки инженеров по направлению 200500 – Метрология, стандартизация и сертификация специальностям 200501 – Метрология и метрологическое обеспечение 200503 – Стандартизация и сертификация Образовательная программа подготовки бакалавров по направлению 200500 - Метрология, стандартизация и сертификация

РПД МСК 200500. ДС.02 - 2007

Предисловие 1 РАЗРАБОТАНА на основании предложений организаций-потребителей выпускников и опыта научной деятельности коллектива кафедры Автор д.т.н., профессор

Г.П. Шлыков

2 РЕЦЕНЗЕНТ Главный метролог НИИЭМП к.т.н.

Г.А. Солодимова

3 СОГЛАСОВАНА: лектор дисциплины "Общая теория измерений" д.т.н., профессор Г.П. Шлыков лектор дисциплины "Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Ч.1" к.т.н., доцент К.В. Сафронова лектор дисциплины "Метрология, стандартизация и сертификация. Ч.1" ст. преподаватель М.В. Бержинская лектор дисциплины "Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов" к.т.н., доцент Ю.М. Голубинский лектор дисциплины "Прикладная метрология" ст. преподаватель М.В. Бержинская лектор дисциплины "Автоматизация измерений, контроля и испытаний" д.н.т., профессор А.А. Папко 4 ВНЕСЕНА методической группой кафедры метрологии и систем качества Руководитель, к.т.н., доцент К.В. Сафронова 5 УТВЕРЖДЕНА на заседании кафедры метрологии и систем качества 23 января 2007 г. протокол № 6 И.о.заведующего кафедрой д.т.н., профессор А.А.Данилов 6 ВЗАМЕН РПД МСК 0.02-2002

2

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

Кафедра метрологии и систем качества Рабочая программа дисциплины МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Дата введения – 2007 – 02 -05

1 Область применения Настоящая рабочая программа устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и студентов специальностей 200501 – "Метрология и метрологическое обеспечение" и 200503 – "Стандартизация и сертификация", а также при подготовке бакалавров по направлению 200500 – "Метрология, стандартизация и сертификация". 2 Нормативные документы Настоящая программа разработана в соответствии со следующими документами: Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки специалиста 653800 (200500) – Стандартизация, сертификация и метрология. Специальность 072000 (200503) – "Стандартизация и сертификация". Специальность 190800 (200501) – "Метрология и метрологическое обеспечение" (ДС.00). Учебный план Пензенского государственного университета специальности 200501 – Метрология и метрологическое обеспечение, утвержденный 07.02.2005 г.(ДС.02). Учебный план Пензенского государственного университета специальности 200503 – Стандартизация и сертификация, утвержденный 07.02.2005г. (ДС.02). Семестровые учебные планы на текущий учебный год (6 семестр) И 151.30.03 – 2000 Рабочие программы учебных дисциплин. Порядок разработки и требования к содержанию. 3 Нормативная трудоемкость изучения дисциплины Трудоемкость дисциплины в часах, исходя из 17-недельного семестра (дробью: всего в семестре/в среднем в неделю): Трудоёмкость общая Аудиторная (по расписанию) из них лекции практические занятия Самостоятельная работа студента в т.ч. курсовая работа Контроль текущий на занятиях защита курсовой работы экзамен

170/10 85/5 51/3 34/2 85/5 34/2

3

РПД МСК 200500. ДС.02 - 2007

4 Цель и задачи дисциплины 4.1 Целью изучения дисциплины является освоение методологии структурно – функционального и метрологического анализа, способов построения математических и структурных моделей, приемов расчета погрешностей многозвенных измерительных устройств. 4.2 В результате изучения дисциплины студент должен: − иметь представление об уровнях декомпозиции контрольно– измерительных систем (приборов, устройств), о влиянии динамических свойств компонентов на метрологические (точностные) характеристики, о возможности применения методологии анализа к технологическим и другим процессам; − знать способы построения функциональных и метрологических моделей, методики анализа физических преобразований в измерительных устройствах, методики вывода уравнений связи (функций преобразования); − уметь разрабатывать функциональные и метрологические модели различных контрольно-измерительных технических средств, производить расчет аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности измерительных устройств по известным предельным погрешностям компонентов и решать обратную задачу (задачу синтеза). 5 Место дисциплины в учебном процессе Дисциплина относится к дисциплинам специализации (ДС) и изучается в 6-м семестре. При обучении дисциплине следует исходить из того, что функциональные обязанности будущего инженера включают обоснование требований к характеристикам компонентов контрольно-измерительных устройств при их проектировании, а также определение возможностей имеющегося контрольноизмерительного оборудования для решения конкретных задач. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин: "Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Ч.1", "Общая теория измерений", "Метрология, стандартизация и сертификация. Ч.1" Дисциплина изучается параллельно дисциплине "Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов". Положения данной дисциплины должны быть использованы при изучении дисциплин: "Прикладная метрология" (200501), "Автоматизация измерений, испытаний и контроля", а также при выполнении выпускного (дипломного) проекта или работы по специальности (200501) и соответствующего раздела проекта по специальности 200503

4

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

6 Сводные данные об основных разделах дисциплины

Название раздела

Введение 1.Структурно-функциональный анализ 1.1. Математические и структурные функциональные модели 1.2 Понятие динамической модели 1.3 Типовые звенья и их математическое описание 1.4 Модели цепей линейных звеньев 1.5 Модели цепей с нелинейными звеньями 1.6 Модели цепей с релейными звеньями 1.7 Примеры функционального анализа контрольно-измерительных устройств 2 Метрологический анализ 2.1 Статическая метрологическая модель линейного звена с аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющими погрешности 2.2 Учет динамических характеристик и динамических погрешностей при построении метрологической модели 2.3 Учет функций влияния внешних факторов при построении метрологической модели 2.4 Метрологическая модель цепи линейных звеньев 2.5 Понятие о погрешностях функциональных (нелинейных) звеньев 2.6 Релейные звенья и их характеристики 2.7 Квантователи и их метрологические модели 2.8 Примеры метрологического анализа контрольно-измерительных устройств 3 Применение методологии функционального и метрологического анализа для оценивания качества процессов 4 Заключение Всего

Количество часов занятий аудиторных СамоЛекционПрактистояных ческих тельных занятий занятий 2 -

Уровни изучения

2

2

1

Б1

2

-

1

А1

2

2

1

Б2

4 2 4

4 2 2

3 2 2

Б1 А1 Б1

6

4

6

Б1

4

2

3

Б2

2

-

1

А2

2

2

2

А2

4

4

4

Б2

1

-

-

А1

1

2

2

Б1

4

2

1

Б1

6

6

5

Б1

2

-

-

А1

1 51

34

34

П р и м е ч а н и е - Уровни изучения: иметь представление (А), для изучения последующих дисциплин (Б), для профессиональной деятельности (В), рассматривается впервые (1), углубленное изучение ранее рассмотренного материала (2).

5

РПД МСК 200500. ДС.02 - 2007

7 Лекции 7.1 Разделы и их содержание Введение Функциональный и метрологический анализ в инженерной деятельности по метрологическому обеспечению качества проектирования и применения контрольно-измерительных устройств и процедур. 1 Структурно-функциональный анализ 1.1 Математические и структурные функциональные модели Иерархия уровней анализа. Системный, функциональный, модульный, схемотехнический и технологический уровень. Методология формирования моделей. Качественное описание, установление количественных связей, проверка удовлетворенности гипотетической модели требованиям практики, совершенствование модели. Методические ошибки (ошибки моделей). Математическая модель как аналитическое представление функции преобразования с аргументами, представляющими параметры компонентов. Структурная модель как графическое наглядное изображение условными обозначениями измерительных операций, их последовательности, а также информативных параметров сигналов. 1.2 Понятие динамической модели Учет инерционных свойств компонентов измерительных устройств при формировании моделей. Передаточные функции. Полные динамические характеристики (импульсная, переходная, амплитудно-частотная и фазовая). Связь между ними. Частные динамические характеристики как параметры полных характеристик. Оценивание статической точности за заданное время измерения (преобразования). Отражение динамической погрешности в моделях при изменяющейся измеряемой (контролируемой) величине. Динамические погрешности 1.3 Типовые звенья и их математическое описание Звенья, определяющие измерительные операции воспроизведения величины, масштабирования, преобразования, сравнения, считывания показания, квантования и др. Звенья, аргументом функции которых является время: коммутация измерительных сигналов, интегрирование, запоминание и др. Звенья, определяющие элементарные математические операции: сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня и др. 1.4 Модели цепей линейных звеньев Модель последовательного соединения звеньев. Погрешность согласования. Модель параллельного соединения звеньев. 6

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

Одноконтурные и многоконтурные цепи с обратными связями и их модели. 1.5 Модели цепей с нелинейными звеньями Модель последовательной цепи с нелинейными звеньями. Линеаризация зависимостей путем включения звеньев с обратными функциями. Модель цепи с нелинейным звеном в цепи обратной связи. Получение обратной функции. Пример: процедура извлечения корня на основе квадратора. 1.6 Модели цепей с релейными звеньями Модель последовательной цепи с релейным звеном устройства, выполняющего функции альтернативного контроля. Цепь звеньев с релейным звеном в прямой цепи системы с отрицательной обратной связью в квантователях и цифровых измерительных приборах. Погрешность квантования. Математическая модель в виде целочисленной функции. Погрешность квантования как методическая ошибка линейного представления функции преобразования. Вычисление числа разрядов по заданной погрешности квантования. 1.7 Примеры функционального анализа контрольно-измерительных устройств Анализ, построение структурной и математической функциональной модели и оценка методической ошибки − канала измерения температуры с термопарами; − неуравновешенного моста для измерения деформации; − измерителя линейных перемещений с реостатным датчиком; − преобразователя электрического напряжения в длительность импульса. 2 Метрологический анализ (оценивание влияния инструментальных погрешностей компонентов) 2.1 Статическая метрологическая модель линейного звена с аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющими погрешности Понятие чувствительности линейного звена. Размерность. Погрешность функции преобразования как отклонение реальной функции преобразования от номинальной. Разложение погрешности в функции входной величины на составляющие. Погрешность аддитивная (погрешность смещения), погрешность мультипликативная (погрешность чувствительности) и погрешность нелинейности (отклонение от аппроксимирующей прямой). Аддитивная и нелинейная погрешности, приведенные ко входу и выходу звена. Точные и предельные значения погрешностей. 2.2 Учет динамических характеристик и динамических погрешностей при построении метрологической модели Отклонение реальных полных динамических характеристик от номинальных. Влияние на составляющие погрешностей звеньев. 7

РПД МСК 200500. ДС.02 - 2007

2.3 Учет функций влияния внешних факторов при построении метрологической модели Функции влияния внешних факторов (температуры, влажности, вибрации и т.д.). Представление линейными, нелинейными зависимостями и граничными областями. 2.4 Метрологическая модель цепи линейных звеньев Функция преобразования последовательной цепи линейных звеньев, имеющих аддитивную, мультипликативную и нелинейную составляющие погрешности. Структурная модель. Математическая модель как система уравнений для трех составляющих погрешности. Приведение аддитивной погрешности (в абсолютных значениях) ко входу и выходу последовательной цепи. Вычисление предельных погрешностей. Арифметическое и геометрическое сложение. Обратная задача – определение требований к погрешностям звеньев по заданным предельным погрешностям всей цепи. Функция преобразования параллельной цепи звеньев с погрешностями. Структурная и математическая метрологические модели. Функция преобразования замкнутой одноконтурной цепи линейных звеньев с погрешностями. Требования к звеньям в прямой и обратной частях цепи. 2.5 Понятие о погрешностях функциональных (нелинейных) звеньев Погрешность нелинейного звена как отклонение реальной функции преобразования от номинальной (заданной) нелинейной функции. Разложение на составляющие. Представление модели двумя звеньями: линейное с единичной чувствительностью и аддитивной и мультипликативной погрешностями и нелинейное с номинальной функцией и нелинейной погрешностью. 2.6 Релейные звенья и их характеристики Релейное звено, выполняющее функцию статического компарирования (сравнения). Статическая погрешность компарирования как аддитивная погрешность по входу. Релейное звено, выполняющее функцию динамического компарирования. Динамическая погрешность компарирования как аддитивная погрешность по входу в функции скорости изменения сравниваемых величин. Приведение к выходу звена путем включения в модель звена задержки, управляемой скоростью входной величины. 2.7 Квантователи и их метрологические модели Погрешности уровней квантования как погрешности компарирования релейных звеньев. Погрешность результата квантования (в цифровых измерительных приборах и аналого-цифровых преобразователях) как случайная величина, определяемая зависимостью вероятности появления данного результата от значения входной величины. Понятие "профиль кванта" и дифференциальная нелинейность.

8

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

2.8 Примеры метрологического анализа контрольно-измерительных устройств Анализ и построение структурной и математической метрологической модели контрольно-измерительных устройств по п. 1.7. 3 Применение методологии функционального и метрологического анализа для оценивания качества процессов Декомпозиция технологических и других процессов. Сеть процессов и аналогия с цепью звеньев. Отклонение реальных характеристик процессов от номинальных. Допуски на отклонение характеристик и аналогия с погрешностями звеньев. Оценивание технологического процесса через отклонения характеристик от номинальных функций и их параметров. 7.2 Форма проведения занятий Традиционная. Использование демонстрационных плакатов 7.3 Материально-техническое обеспечение Не предусмотрено 8 Практические занятия 8.1 Основные темы Составление алгоритма разработки моделей измерительных устройств. Разложение на типовые функциональные звенья заданного вида измерительного устройства. Построение функциональных моделей измерительных каналов. Разработка модели электронного измерительного модуля (на примере стабилизатора). Линеаризация функции преобразования устройств с нелинейными звеньями. Построение моделей устройств, предназначенных для альтернативного контроля. Разложение погрешности функции преобразования на составляющие. Степенные ряды. Выбор аппроксимирующей прямой. Применение методов суммирования погрешностей. Метрологический анализ на схемотехническом уровне. Метрологический анализ на функциональном и модульном уровнях. Построение "профиля кванта", расчет дифференциальной нелинейности и числовых характеристик погрешности в заданной точке диапазона. 9 Лабораторные занятия Не предусмотрены 10 Семинарские занятия Не предусмотрены

9

РПД МСК 200500. ДС.02 - 2007

11 Другие виды аудиторных занятий Не предусмотрены 12 Курсовая работа 12.1 Перечень рекомендуемых тем Разработка структурной и математической функциональных моделей, оценивание ошибки модели, разработка структурной и математической метрологической модели, вывод формул для аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности, расчет предельных значений погрешности измерительного устройства. 12.2 Рекомендации по организации проектирования Каждый студент получает индивидуальное задание по конкретному виду измерительного устройства измерения или преобразования электрических величин (постоянных и переменных токов и напряжений, емкости, индуктивности, сопротивления и др.) или неэлектрических величин (температуры, деформации, перемещения, давления, уровня и др.). 12.3 Материально-техническое обеспечение Не предусмотрено 13 Самостоятельная работа студента (дома и в библиотеке) Самостоятельное изучение отдельных разделов; углубление лекционного материала путем изучения литературы; расчетные и другие работы по подготовке к практическим занятиям. 14 Рекомендуемая литература (с указанием количества экземпляров в библиотеке университета и на кафедре) Основная Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. ( / ). Шлыков Г.П. Функциональный и метрологический анализ средств измерений: Учеб. пособие. Часть 1. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. ( / ) Журавин Л.Г., Семенов Е.И., Шлыков Г.П. Расчет метролгических характеристик при проектировании средств измерений: Учеб. пособие/Под ред. Г.П. Шлыкова. – Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1988. ( / ). Шлыков Г.П. Брагин А.А., Семенюк А.Л. Методы и средства метрологических испытаний аналого-цифровых измерительных устройств: Учеб. пособие/Под ред. Г.П. Шлыкова. – Пенза: Пенз. политехн. ин-т, 1990. ( / ). Шлыков Г.П. Метрологическое обеспечение и контроль качества. Решение задач: Учебное пособие.- Пенза: Изд-во Пензенский государственный университет, 2003 ( ) Харт Х. Введение в измерительную технику: Пер. с нем. - М.: Мир, 1999. ( / ). Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров/Пер. с польск. – М.: Мир, 1989. ( / ). 10

РПД МСК 200500. ДС.02– 2007

15 Методические материалы Шлыков Г.П. Надежность. Оценивание вероятностей отказов: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003. (Серия "Метрология", Вып.1); Шлыков Г.П. Философия качества Э.Деминга: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2004. (Серия "Метрология", Вып.2); Шлыков Г.П. Суммирование погрешностей: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003. (Серия "Метрология", Вып.3); Шлыков Г.П. Оценивание погрешностей функций приближенных значений параметров: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003. (Серия "Метрология", Вып.4); Шлыков Г.П. Измерение. От действительности к абстракции через шкалы: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003. (Серия "Метрология", Вып.5); Голубинский Ю.М. Системы единиц величин. Система СИ и размерности: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2004. (Серия "Метрология", Вып.7); А.Фоик, Я.Яворский, Р.Моровский, Я.Оледский, А.Урбан Теория измерений. Чему и как учить: Сборник докладов (Перевод с англ. под ред. Г.П.Шлыкова) – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2004. (Серия "Метрология", Вып.8); Сафронова К.В. Эталоны: Учебное пособие – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2006. (Серия "Метрология", Вып.10); Шлыков Г.П. Уравнения процессов измерений: Лекция – Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2006. (Серия "Метрология", Вып.11);

16 Сведения о переутверждении программы на очередной учебный год и регистрация изменений Учебный год

Учебные группы

Решение кафедры (дата, номер протокола)

Фамилия и инициалы, подпись лектора

Номер изменения, дата

Примечания 1 При переутверждении с внесением изменений при необходимости программа (или только изменения) согласовываются с лекторами дисциплин, указанных в предисловии. 2 Изменения оформляются в виде приложении к настоящей программе и подписываются автором, а также согласующими сторонами

11