Теоретическая метрология: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Базовая кафедра метрологии при ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ Рабочая программа Методические указания к изучению дисциплины

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 653800 - стандартизация, сертификация и метрология; 190800 - метрология и метрологическое обеспечение. Направление подготовки бакалавра 552200 – метрология, стандартизация и сертификация

Санкт-Петербург 2005

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 389 (07) Теоретическая метрология: Рабочая программа, методические указания к изучению дисциплины. - СПб.: СЗТУ, 2005. – 26 с. Рабочая программа соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653800 - “Стандартизация, сертификация и метрология” (специальность 190800 - “Метрология и метрологическое обеспечение”) и направлению подготовки бакалавра 552200 – “Метрология, стандартизация и сертификация”. Методический комплекс содержит рабочую программу, тематический план лекций и темы практических занятий, перечень основной и дополнительной литературы, методические указания к изучению дисциплины. В рабочей программе рассматриваются вопросы обеспечения единства измерений. Тематический план лекций представлен для студентов очно-заочной формы обучения. В перечень основной и дополнительной литературы включены источники на бумажном и электронном носителях. Методические указания к изучению дисциплины акцентируют внимание на наиболее важных вопросах программы и служат путеводителем по литературным источникам. Рассмотрено на заседании базовой кафедры метрологии 28 декабря 2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 17января 2005 г. Рецензенты: базовая кафедра метрологии СЗТУ (Г.А. Алексеев, д-р техн. наук, проф.), С.А. Кравченко, д-р техн. наук, проф., ст. науч. сотр. ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Составитель И.Ф. Шишкин, д-р техн. наук, проф. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005

3

ПРЕДИСЛОВИЕ По учебному плану инженерной специальности 190800 “Метрология и метрологическое обеспечение” учебная дисциплина “Теоретическая метрология” изучается на IV курсе в объёме 196 часов; из них при обучении по очнозаочной форме 24 часа лекций, 12 часов лабораторных работ и 20 часов практических занятий, при обучении по заочной форме - 16 часов лекций, 12 часов лабораторных работ и 8 часов практических занятий. Предусмотрены 1 курсовая работа, зачет и экзамен. Цель изучения дисциплины – уяснение возможных подходов к обеспечению единства измерений, изучение ныне принятого и осознание дальнейших перспектив развития метрологии в этом направлении. Основная задача дисциплины состоит в подведении теоретического фундамента под изучение специальных дисциплин, обосновании многообразия видов метрологической деятельности и освоение их на практике. Основные положения дисциплины составляют фундамент современной метрологии, служат основой для ее многочисленных приложений. В результате изучения дисциплины студент должен: - знать общие подходы к обеспечению единства измерений; - уметь выполнять весь комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение единства измерений при централизованном воспроизведении единиц физических величин; - иметь представление о перспективах перехода к децентрализованному воспроизведению единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений. Основной формой изучения материала является самостоятельная работа над рекомендованной литературой. По узловым вопросам программы читаются лекции и проводятся консультации. Практические навыки приобретаются на практических занятиях и при выполнении лабораторных работ. По лабораторным работам сдается зачет, а по всей дисциплине в целом - экзамен.

4

Дисциплина основывается на учебных дисциплинах “Физика”, “Физические основы измерений”, “Высшая математика”, “Метрология, стандартизация и сертификация, ч. I ”, “Общая теория измерений” и используется при изучении специальных дисциплин, выполнении курсовых и дипломных работ и проектов.

5

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (Объём курса - 196 ч) Введение (2 ч) Предмет, задачи и содержание учебной дисциплины “Теоретическая метрология”; ее роль и место в формировании дипломированного специалиста по направлению подготовки 653800 “Стандартизация, сертификация и метрология” (специальность 190800 “Метрология и метрологическое обеспечение”). Структура учебной дисциплины, порядок изучения материала, связь с другими дисциплинами учебного плана. Организация учебного процесса. Тема 1. Единство измерений (20 ч) [1], с. 18 ... 22; 112 … 113; 123 … 135; [2], с. 7 … 16; [3], c. 7 ... 60 Нормативно-правовое обеспечение единства измерений Законодательная метрология Единство измерений. Закон Российской Федерации “Об обеспечении единства измерений”. Нормативно-правовые документы государственного, межгосударственного, международного и межотраслевого уровней, уровня субъектов хозяйственной деятельности. Международная система единиц физических величин Правила конструирования систем единиц. Основные и производные единицы

Международной системы. Образование десятичных

кратных и дольных единиц. Организационное обеспечение единства измерений Государственная метрологическая служба Комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии. Государственные научные метрологические центры. Государственные службы. Органы государственной метрологической службы на территориях субъектов Российской Федерации.

6

Метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц Метрологические службы государственных органов управления. Метрологическая служба Вооруженных Сил Российской Федерации. Метрологические службы юридических лиц. Техническое обеспечение единства измерений Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант макромира. Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин на антропометрической основе. Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант микромира. Квантовая метрология. Централизованное воспроизведение единиц физических величин Централизованное воспроизведение единиц физических величин эталонами. Поверочные схемы. Тема 2. Эталоны единиц физических величин (32 ч) [1], с. 113 ... 123 Классификация эталонов Государственные первичные и специальные эталоны. Вторичные эталоны: эталоны-свидетели, эталоны сравнения, эталоны-копии и рабочие эталоны. Эталонная база страны. Эталоны основных единиц физических величин Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и длины. Государственный первичный эталон единицы массы. Международная температурная шкала МТШ-90. Государственный первичный эталон единицы силы света.

7

Государственный первичный эталон единицы силы электрического тока. Тема 3. Средства измерений (28 ч) [1], с. 136 ... 159 Классификация средств измерений Индикаторы. Вещественные меры. Измерительные преобразователи. Измерительные приборы. Измерительные установки. Измерительные системы. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений Метрологические характеристики средств измерений Определение метрологических характеристик.

Метрологические

характеристики, предназначенные для определения показаний средств измерений. Метрологические характеристики качества показаний. Метрологические характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам. Динамические метрологические характеристики. Метрологические характеристики взаимодействия с объектами или устройствами на входе и выходе средств измерений. Метрологические характеристики качества показаний. Неинформативные параметры выходного сигнала. Нормирование метрологических характеристик средств измерений Нормирование метрологических характеристик, предназначенных для определения показаний средств измерений. Нормирование метрологических характеристик качества показаний. Нормирование метрологических характеристик чувствительности средств измерений к влияющим величинам. Нормирование динамических метрологических характеристик. Нормирование метрологических характеристик взаимодействия с объектами или устройствами на входе и выходе средств измерений. Нормирование неинформативных параметров выходного сигнала. Наборы нормированных метрологических характеристик. Метрологические отказы.

8

Скрытые метрологические отказы. Поверка средств измерений. Метрологическая надежность средств измерений Понятие метрологической надежности средств измерений. Испытания средств измерений на метрологическую надежность. Назначение межповерочного интервала. Тема 4. Режимы работы средств измерений (46 ч) [1], с. 159 ... 275 Установившийся режим Время установления показания и время реакции средства измерений. Функция преобразования. Градуировка в отдельных точках диапазона и построение градуировочной характеристики средства измерений. Задача сглаживания. Переходный режим Уравнение динамики. Классический метод решения уравнения динамики. Спектральный метод решения уравнения динамики. Комплексный коэффициент преобразования, АЧХ и ФЧХ средства измерений Операторный метод решения уравнения динамики. Передаточная функция средства измерений. Метод интеграла Дюамеля. Переходная и импульсная характеристики средства измерений. Полные и частные динамические характеристики средств измерений. Связь между динамическими характеристиками средств измерений. Типовые динамические звенья. Соединения типовых динамических звеньев. Передаточные функции различных соединений типовых динамических звеньев. Теорема разложения. Обратная задача динамики.

9

Стационарный режим Рассмотрение стационарного режима работы средства измерений на примере пикового детектора. Измерение параметров периодических процессов. Измерение параметров стационарных случайных процессов. Измерение параметров однородных и изотропных полей. Измерение параметров случайных величин. Нестационарный режим Рассмотрение нестационарного режима работы средства измерений на примере последовательного колебательного контура. Измерение параметров непериодических процессов. Измерение параметров нестационарных случайных процессов. Измерение параметров неоднородных и анизотропных полей. Статические и динамические измерения Зависимость характера измерений от режима работы средства измерений. Условие безыскаженного преобразования сигнала средством измерений. Тема 5. Передача измерительной информации по каналам связи (38 ч) [1], с. 381 ... 425 Преобразование измерительной информации на передающем конце Квантование по времени. Теорема Котельникова. Квантование по уровню. Кодирование. Разновидности кодов. Оптимальное и помехоустойчивое кодирование. Модуляция. Виды модуляции. Глубина модуляции. Спектры модулированных сигналов.

10

Передача измерительной информации по каналу связи Согласование сигнала с каналом. Обменные операции. Показатели качества системы связи: эффективность и помехоустойчивость. Формула Шеннона для предельной пропускной способности канала. Преобразование измерительной информации на приемном конце Детектирование, декодирование и восстановление сигнала. Интерполяционная формула Лагранжа. Тема 6. Квалиметрия (28 ч) [1], с. 336 ... 371; [7], с.7 ... 113 Показатели качества Показатели качества. Сравнение показателей качества с физическими величинами. Структура показателей качества. Измерение качества Методы измерения качества. Особенности использования измерительных шкал. Эталоны качества. Уровни качества. Экспертный метод измерения качества. Формирование экспертной комиссии. Качественный и количественный состав экспертов. Подготовка экспертной комиссии к работе. Экспертиза по методу Дельфы. Формы представления измерительной информации: ранжированный ряд, матрица попарных сопоставлений. Представление измерительной информации в нечисловой форме. Обработка измерительной информации. Формулы свертки (комплексирования). Учет весовых коэффициентов и коэффициентов вето. Уточнение результатов экспертизы методом предпочтений и методом последовательного приближения.

11

Заключение (2 ч) Краткое обобщение основных вопросов курса. Использование полученных знаний, умений и навыков при изучении других учебных дисциплин, в практической деятельности инженера-метролога. Направления дальнейшей самостоятельной работы над углублением и расширением знаний в области теоретической метрологии. 1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (24 ч) Темы лекций

Объем, ч

Введение. Единство измерений.

2

Эталоны единиц физических величин

4

Средства измерений

2

Режимы работы средств измерений

6

Передача измерительной информации по каналам связи

6

Квалиметрия. Заключение.

4

1.3. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (20 ч) Темы занятий Расчет номинальной функции преобразования средства

Объем, ч 4

измерений. Расчет неопределенности результата измерения в установив-

4

шемся режиме работы средства измерений. Расчет передаточной функции средства измерений.

6

Построение оптимальных и помехоустойчивых кодов.

2

Обеспечение единства измерений экспертными методами.

4

12

1.4. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ Обработка результата многократного измерения. Задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению приведены в [4].

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: Учебник для вузов. – М.: Изд – во стандартов, 1991. 2. Шишкин И.Ф. Лекции по метрологии: Учеб. пособие. – М.: РИЦ «Татьянин день», 1993. 3. Ушаков И.Е. Законодательная метрология и технология разработки нормативной документации: Учеб. пособие. Изд. 2-е, доп. – СПб.: СЗПИ, 2000. 4. Теоретическая метрология: Задание на курсовую работу. Методические указания к выполнению курсовой работы. – СПб: СЗТУ, 2003. – 90 с. Дополнительный: 5. Шишкин И.Ф. Основы метрологии, стандартизации и контроля качества: Учеб. пособие. – Изд – во стандартов, 1988. 6. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учебник для вузов. – М.: Изд – во стандартов, 1990. 7. Шишкин И.Ф., Станякин В.М. Квалиметрия и управление качеством: Учебник для вузов. - М.: Изд – во ВЗПИ, 1992. Средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet): На сайте дистанционного обучения СЗТУ (http://www.de/nwpi.ru) имеются следующие учебные материалы: 1. Рабочая программа. Методические указания к изучению дисциплины. 2. И.Ф. Шишкин «Теоретическая метрология» (5,83 МБ). 3. И.Ф. Шишкин «Лекции по метрологии» (1,47 МБ).

13

4. И.Е. Ушаков «Законодательная метрология и технология разработки нормативной документации» (481 КБ) 5. И.Ф. Шишкин, В.М. Станякин «Квалиметрия и управление качеством» (1,04 МБ).

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ Введение После выделения из теоретической метрологии отдельного курса «Общая теория измерений» и включения его в федеральный компонент государственного образовательного стандарта по направлению подготовки дипломированного специалиста 653800 “Стандартизация, сертификация и метрология”, оставшийся материал в виде самостоятельной учебной дисциплины с прежним названием

«Теоретическая

метрология»

по

рекомендации

Научно-

методического совета по специальности 190800 “Метрология и метрологическое обеспечение” включен в региональный компонент государственного образовательного стандарта. Он посвящен фундаментальному для теоретической метрологии вопросу обеспечения единства измерений. Порядок изучения дисциплины и организация учебного процесса излагаются на установочной лекции. Во время аудиторных занятий и при самостоятельном изучении материала обязательно ведение конспекта.

Тема 1. Единство измерений Нормативно-правовое обеспечение единства измерений Законодательная метрология Законодательная метрология изучается в рамках самостоятельной учебной дисциплины. Поэтому здесь необходимо уяснить лишь что такое «единство измерений», и как оно обеспечивается с помощью нормативноправового регулирования. Сами нормативно-правовые документы государст-

14

венного, межгосударственного, международного и межотраслевого уровней, уровня субъектов хозяйственной деятельности изучаются в курсе «Законодательная метрология». Международная система единиц физических величин Международную систему единиц физических величин нужно знать постольку, поскольку ее применение является необходимым условием обеспечения единства измерений. Применение единиц Международной системы должно быть само собой разумеющимся, не допускающим необоснованных исключений. Организационное обеспечение единства измерений Структура и деятельность органов Государственной метрологической службы, других государственных служб обеспечения единства измерений, метрологических служб юридических лиц и государственных органов управления подробно рассматриваются в учебной дисциплине «Законодательная метрология». Здесь нужно понять их роль и место в обеспечении единства измерений. Техническое обеспечение единства измерений Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин Децентрализованное воспроизведение единиц времени – суток, года – на основе использования фундаментальных физических констант макромира – периодов обращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца – было, по всей видимости, первым, неосознанным первобытными людьми способом обеспечения единства измерений времени. В качестве уже научной идея децентрализованного воспроизведения единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант макромира была воплощена в Метрической системе мер и весов, построенной на определении метра как 1/40000000 части Парижского меридиана. Только теперь приходит понимание того, что обеспечение единства точных измерений на такой основе невозможно вследствие третьей аксиомы метрологии.

15

Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин на антропометрической основе широко практиковалось в средние века. Иногда оно используется и сейчас. Говорить при этом об обеспечении единства измерений можно только с большой долей условности. Децентрализованное воспроизведение единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант микромира – магистральный путь развития метрологии. На этом пути, называемом квантовой метрологией, уже сейчас достигнуты значительные успехи. В качестве примера можно привести эталоны ома и вольта, использующие квантовые эффекты Джозефсона и Холла. Централизованное воспроизведение единиц физических величин Централизованное воспроизведение единиц физических величин эталонами появилось из-за невозможности децентрализованного воспроизведения единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант макромира с необходимой точностью. В настоящее время это основной способ технического обеспечение единства измерений. Однако он чрезвычайно громоздкий, дорогой и малоэффективный. В будущем следует ожидать постепенного перехода к децентрализованному воспроизведению единиц физических величин на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений. Тема 2. Эталоны единиц физических величин Классификация эталонов Классификация эталонов приведена в [1] на с. 113…114, 131. К рабочим эталонам отнесены сейчас и средства передачи информации о размере единиц, называвшиеся ранее образцовыми средствами измерений. Теперь они называются рабочими эталонами соответственно первого, второго и т.д. разрядов. Эталонная база страны в настоящее время насчитывает более 100 государственных эталонов единиц физических величин.

16

Эталоны основных единиц физических величин Государственные первичные

эталоны основных единиц физиче-

ских величин воспроизводят их в соответствии с определениями. Описание их приведено в [1] на с. 114…122. Вместо Международной практической температурной шкалы МПТШ – 68 и Предварительной температурной шкалы ПТШ – 76 действует Международная температурная шкала МТШ – 90. Тема 3. Средства измерений Классификация средств измерений Классификация средств измерений приведена в [1] на с. 139…142. Ее особенностью является отнесение к средствам измерений индикаторов. Последние являются средствами измерений по шкале порядка и в качестве таковых требуют такого же метрологического обслуживания, как и любые другие средства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений Метрологические характеристики средств измерений Средства измерений отличаются от любых других технических устройств тем, что имеют метрологические характеристики. Это такие характеристики свойств средств измерений, которые влияют на результаты измерений и их показатели качества. А раз так, то эти характеристики должны быть совершенно определенными

(на них устанавливаются нормы), и периодически

должно проверяться соответствие таких метрологических характеристик нормам. Последняя процедура называется поверкой средств измерений. Для удобства метрологические характеристики объединяют в группы. Шесть таких групп метрологических характеристик перечислены в [1] на с. 143. Нормирование метрологических характеристик средств измерений Особенности нормирования метрологических характеристик в каждой из шести вышеупомянутых групп рассмотрены в [1] на с. 144…146.

17

Для конкретных средств измерений в зависимости от условий их применения, ответственности измерений и других факторов составляются наборы нормированных метрологических характеристик из числа входящих в разные группы. Подробно все вопросы нормирования метрологических характеристик средств измерений регламентированы ГОСТ 8.009 – 84. Метрологические отказы. Метрологическим отказом называется выход метрологической характеристики за пределы нормы. В отличие от явных неисправностей или поломок средств измерений метрологические отказы являются скрытыми. Обнаружить их можно только при поверке. Поэтому очень важным является вопрос о том, как часто нужно проводить поверку средств измерений. Ответ на этот вопрос может быть получен расчетным путем или в результате испытаний средств измерений на метрологическую надежность. Метрологическая надежность средств измерений Метрологическая надежность – это свойство средств измерений сохранять установленные (нормированные) значения метрологических характеристик в течение определенного времени при нормальных режимах работы и в рабочих условиях эксплуатации.

Показатели метрологической надежности

средств измерений устанавливаются экспериментально. С этой целью проводятся испытания средств измерений на метрологическую надежность. В частности определяется среднее время наработки на метрологический отказ, в зависимости от которого устанавливается межповерочный интервал, который может в дальнейшем корректироваться на основании результатов периодических поверок. Тема 4. Режимы работы средств измерений Установившийся режим В установившемся режиме работа средства измерений описывается алгебраическим уравнением статики. В технической документации оно фигурирует под названием «функция преобразования». Экспериментальное опреде-

18

ление функции преобразования называется градуировкой. Для обеспечения единства измерений необходимо, чтобы при градуировке на вход средства измерений подавались сигналы (входные воздействия), значения которых, выраженные в узаконенных единицах измерений, были известны с точностью, в несколько раз превосходящей точность результатов измерений с помощью градуируемого средства измерений. Это значит, что для градуировки средств измерений могут использоваться только вышестоящие по поверочной схеме рабочие эталоны. Переходный режим В переходном режиме работа средства измерений описывается дифференциальным уравнением динамики. При не очень сложных входных воздействиях для его решения используются всевозможные способы алгебраизации. При сложных входных сигналах используется метод интеграла Дюамеля. В переходном режиме проявляются инерционные свойства средств измерений. В зависимости от выбранного способа исследования переходного режима инерционность средств измерений может характеризоваться - неоднородным дифференциальным уравнением динамики; - передаточной функцией; - комплексным коэффициентом преобразования; - переходной характеристикой; - импульсной характеристикой. Так как эти полные динамические метрологические характеристики характеризуют одно и то же свойство средств измерений – инерционность – все они однозначно связаны между собой. Формулы связи приведены в [1] на с. 198. Иногда используются частные динамические характеристики, отражающие лишь некоторые инерционные свойства средств измерений. Такие, например, как время установления показаний, ширина полосы пропускания частот и другие. На динамические метрологические характеристики (полные и частные) уста-

19

навливаются нормы. Соответствие динамических характеристик этим нормам проверяется при поверке средств измерений. При анализе инерционных свойств средств измерений последние очень удобно представлять в виде соединения типовых динамических звеньев с известными передаточными функциями. Передаточная функция средства измерений в целом рассчитывается тогда по простым правилам. С ее помощью легко можно найти изображение отклика и перейти от него к оригиналу по теореме разложения Хевисайда. Определение входного воздействия по зарегистрированному отклику на него представляет собой обратную задачу динамики. В общем случае она не имеет решения. Тем более важно научиться решать ее в некоторых частных случаях за счет использования априорной информации. Стационарный режим Изменение физической величины во времени называется процессом. Процессы характеризуются некоторыми параметрами. Если, например, электрическое напряжение меняется по гармоническому закону, то параметрами такого процесса являются амплитуда, частота (или период) и начальная фаза. Бессмысленно измерять значение меняющейся физической величины, т.к. в разные моменты времени оно разное. Напротив, параметры процесса, если они не меняются, измерять есть смысл. Зная эти параметры, можно определить значение физической величины в любой момент времени. Режим работы средства измерений, при котором измеряемые параметры выходного процесса не зависят от времени, называется стационарным. В стационарном режиме измеряются параметры периодических – [1], с. 219…227 – и стационарных случайных процессов – [1], с. 233…246. От представления о процессе легко перейти к представлению о поле. Для этого достаточно заменить координату «время» одной из пространственных координат. Пространство многомерно, так что для описания поля потребуется система сферических, декартовых или полярных координат. С помощью пространственно-временного преобразования, осуществляемого за счет

20

относительного перемещения поля и первичного измерительного преобразователя, можно превратить пространственную изменчивость поля в процесс и измерять его параметры обычными методами. Если параметры, характеризующие пространственную изменчивость поля, не меняются вдоль пространственной координаты, то поле называется однородным; если же они не зависят от направления – изотропным. После пространственно-временного преобразования изменчивость таких полей вдоль выбранного направления превращается в периодический или стационарный случайный процессы, параметры которых измеряются в стационарном режиме. При измерении параметров случайных величин следует иметь в виду, что случайная величина не имеет конкретного значения. Она может быть представлена массивом отдельных значений, каждое из которых имеет ту или иную вероятность. В свою очередь результат измерения каждого из этих значений подчиняется определенному закону распределения вероятности. Если ни закон распределения вероятности случайной величины, ни его числовые характеристики, ни влияющие факторы не меняются во времени, то измерения выполняются в стационарном режиме. Любое отдельное значение результата измерения с неодинаковой вероятностью может быть получено при разных значениях измеряемой случайной величины. Поэтому его вероятность можно определить по правилу сложения вероятностей. В то же время вероятность того, что это значение получено при определенном значении измеряемой величины, равна вероятности того, что значение измеряемой величины было именно таким при этом значении результата измерения. Отсюда вытекает формула Байеса, которая является в данном случае решением обратной задачи теории измерений и позволяет определить закон распределения вероятности измеряемой случайной величины и его параметры – числовые характеристики закона распределения вероятности. Нестационарный режим Режим работы средства измерений, при котором хотя бы один из параметров выходного процесса зависит от времени, называется нестационар-

21

ным. В нестационарном режиме измеряются параметры непериодических – [1], с. 227…233 – и нестационарных случайных процессов – [1], с. 247…262. Основные идеи, которые при этом часто используются, заключаются в следующем: 1. Ограничиваются измерением параметров, которые во времени не меняются. 2. Если изменение переменного параметра происходит медленно, разбивают процесс на участки, в пределах которых нестационарностью можно пренебречь, и выполняют на этих участках измерения в стационарном режиме. 3. Осуществляют преобразование процесса с целью исключения его зависимости от переменного параметра. Во всех случаях правило, согласно которому нужно стремиться к измерению не меняющихся во времени величин, остается в силе. Все, сказанное об измерении параметров процессов в нестационарном режиме работы средств измерений, относится и к измерению параметров неоднородных и анизотропных полей, коль скоро их пространственновременное преобразование приводит к непериодическим и нестационарным случайным процессам. Статические и динамические измерения Измерения постоянных величин, независимо от того, являются они физическими величинами либо параметрами процессов или полей, относятся к статическим измерениям. Они могут выполняться в установившемся и стационарном или нестационарном режимах. Измерения постоянных величин в переходном режиме, а также меняющихся во времени величин в стационарном или нестационарном режимах, относятся к динамическим измерениям. При таких измерениях существенную роль могут играть инерционные свойства средств измерений, которые учитываются их динамическими метрологическими характеристиками. В частности, инерционные свойства средств измерений могут приводить к искажениям вы-

22

ходного сигнала по сравнению с входным. Условием, при выполнении которого искажения будут отсутствовать, является согласование входного воздействия с динамической характеристикой средства измерений. Тема 5. Передача измерительной информации по каналам связи Преобразование измерительной информации на передающем конце Отличительной особенностью информационных систем является наличие канала связи. Передача информации по каналу связи связана с решением многих проблем, первой из которых является преобразование измерительной информации к виду, удобному для передачи. В большинстве современных систем связи информация передается с помощью дискретных сигналов. Поэтому очень важным является вопрос о том, как часто нужно брать отсчеты, содержащие измерительную информацию, чтобы не допустить ее потерь? Ответ на этот вопрос дает теорема В.А. Котельникова, называемая иногда теоремой отсчетов. Далее все отсчеты нужно превратить в кодовые комбинации, чтобы передавать измерительную информацию с помощью кодовых элементов. Оптимальные коды обеспечивают максимальную скорость передачи измерительной информации, а корректирующие коды позволяют обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за шумов и помех в канале связи. Распространенным способом преобразования измерительной информации с целью передачи ее по каналу связи является модуляция. Наиболее часто встречающиеся виды модуляции рассмотрены в [1] на с. 395 … 407.

23

Передача измерительной информации по каналу связи Второй проблемой является согласование сигнала с каналом. Для наглядной интерпретации этой проблемы вводятся понятия объема сигнала и емкости канала. Если объем сигнала больше емкости канала, передача измерительной информации без потерь невозможна. В противном случае их можно избежать, используя должным образом обменные операции. Еще одним условием передачи измерительной информации без потерь является правильный выбор скорости передачи измерительной информации. Она не должна превышать предельную пропускную способность канала, устанавливаемую формулой К.Шеннона. В противном случае возможны ошибки. Преобразование измерительной информации на приемном конце Третьей проблемой является выделение полезного сигнала, содержащего измерительную информацию, после передачи сообщения по каналу связи. Для этого используется демодуляция (детектирование) и декодирование. В случае необходимости перехода от дискретной формы представления измерительной информации к аналоговой осуществляется восстановление непрерывного сигнала с помощью интерполяционной формулы Лагранжа. Тема 6. Квалиметрия Показатели качества В квалиметрии измеряемыми величинами служат показатели качества. Если физические величины отражают объективные свойства природы, то показатели качества – общественную потребность в конкретных условиях. Есть много общего между показателями качества и физическими величинами. Тем важнее понимать различие между ними. Проблема обеспечения единства измерений в квалиметрии стоит исключительно остро, и подходы к ее решению только обсуждаются. Поэтому важно соблюдать определенные правила измерений, составляющие незыблемую основу квалиметрии и образующие фунда-

24

мент научно-методического обеспечения единства измерений в этой области метрологии. Измерение качества Классификация методов измерения качества приведена в [1] на с. 345 … 346. Следует особо подчеркнуть, что в квалиметрии справедливы все три аксиомы метрологии. В частности, измерение качества возможно только посредством сравнения (вторая аксиома метрологии). Результаты сравнения могут быть представлены на любой из измерительных шкал. Особенности использования измерительных шкал в квалиметрии рассмотрены в [1] на с. 346 … 351. Понятие эталона в квалиметрии отличается от общепринятого тем, что эталон качества (эталонный образец) выбирается по соглашению. Для обеспечения единства измерений этот выбор должен быть документально оформлен. Быстрые темпы научно-технического прогресса обусловливают необходимость систематического пересмотра нормативных документов (стандартов, технических условий) на эталоны. Срок действия их обычно не превышает одного - трех лет. Классификация эталонов приведена в [1] на с. 351. Их показатели качества называются базовыми. В сравнении с базовыми показателями и заключаются измерения. Поэтому относительные значения всех базовых показателей равны единице. Следовательно, при измерениях по шкале отношений эталонное качество выступает в роли единицы измерения, которая воспроизводится базовыми показателями. Если шкалу отношений использовать в качестве оси ординат, а по оси абсцисс откладывать номера показателей качества, то значения базовых показателей образуют единичный эталонный уровень. В зависимости от номенклатуры показателей это может быть нормативный, технический или техникоэкономический уровень качества. В некоторых случаях уровень качества может характеризоваться обобщенным групповым показателем.

25

Экспертный метод измерения качества. При экспертном методе измерения качества каждый эксперт играет роль средства измерений. Поэтому к каждому из них в отдельности и к экспертной комиссии в целом предъявляются те же требования, что и к выбору средств измерений. Качественный состав экспертной комиссии – важное условие эффективности экспертного метода. Он определяется квалификацией экспертов и одинаковым пониманием стоящих перед ними задач. Количественным показателем качества экспертной комиссии служит коэффициент конкордации. Для достижения его приемлемых значений проводится специальная подготовка экспертной комиссии к работе. В случае, если возможностей для предварительной подготовки экспертной комиссии к работе нет, экспертиза проводится по методу Дельфы., Количественный состав экспертной комиссии определяется исходя из требований к точности многократного измерения. Как известно, при увеличении массива экспериментальных данных она повышается сначала быстро, а потом все медленнее и медленнее. Обычно количество экспертов не превышает 7…10 человек. Каждый эксперт представляет измерительную информацию в форме непосредственного результата измерения, ранжированного ряда или матрицы попарных сопоставлений. В качестве профилактики от соблазна манипулирования числовыми обозначениями реперных точек (баллами) на шкале порядка измерительная информация иногда представляется в нечисловой форме. Обработка измерительной информации состоит в усреднении мнений экспертов и вычислении значений комплексных показателей качества с учетом весовых коэффициентов, а при необходимости - и коэффициентов вето. При этом уточнение как весовых коэффициентов, так и самих результатов экспертизы может производиться либо методом предпочтений. либо методом последовательного приближения.

26

СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ………………………………………………………………….. 3 1. Содержание дисциплины …………………………………………………. 5 1.1. Рабочая программа ………………………………………………………. 5 1.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения …………………………11 1.3. Темы практических занятий ……………………………………………..11 1.4. Тематика курсовой работы ………………………………………………12 2. Библиографический список ………………………………………………. 12 3. Методические указания к изучению дисциплины ……………………… 13

Редактор М.Ю.Комарова Сводный темплан 2005 г. Лицензия ЛР № 020308 от 11.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать Формат 60х84х1/16. Б.кн.-журн. П.л. 1,75 Б.л. 0,875 РТП РИО СЗТУ. Тираж Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член издательско-полиграфической ассоциации вузов России 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д.5