МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Директор ИК _____________ Захарова А.А. « ___»________________2014 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН основная образовательная программа подготовки аспиранта по направлению 12.06.01 Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии Уровень высшего образования подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре ТОМСК 2014 г. ПРЕДИСЛОВИЕ 1. Рабочая программа составлена на основании федеральных государственных образовательных стандартов к основной образовательной программе высшего образования подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре по направлению 12.06.01 Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА РАССМОТРЕНА И ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры «Компьютерные измерительные системы и метрология» протокол № 18 от 24 мая 2014 г. Научный руководитель программы аспирантской подготовки С.В. Муравьев 2. Программа СОГЛАСОВАНА с институтами, факультетами, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану. Зав. обеспечивающей кафедрой КИСМ 1. О.В. Стукач ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Рассматриваемая дисциплина является основной в подготовке аспирантов, обучающихся по профилю 05.11.01 Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. Целями изучения дисциплины являются: приобретение знаний научных, технических и нормативно-методических основ, необходимых для обеспечения единства и требуемой точности измерений электрических и магнитных величин; приобретение навыков решения проблем разработки новых и совершенствования существующих методов и средств измерений электрических и магнитных величин, обеспечения единства и требуемой точности измерений, а также устранения и исключения отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. 2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП 2.1. Учебная дисциплина «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» входит в вариативную часть междисциплинарного профессионального модуля ООП. 2.2. Данная программа строится на преемственности программ в системе высшего образования и предназначена для аспирантов ТПУ, прошедших обучение по программе подготовки магистров, прослушавших соответствующие курсы и имея по ним положительные оценки. Она основывается на положениях, отраженных учебных программах указанных уровней. Для освоения дисциплины «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» требуются знания и умения, приобретенные обучающимися в результате освоения ряда предшествующих дисциплин (разделов дисциплин), таких как: Общая теория измерений, Физические основы измерений и эталоны, Метрология, Практическая метрология, Методы и средства измерений и контроля, Планирование и организация эксперимента, Программно-статистические комплексы. 2 2.3. Дисциплина «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» необходима при подготовке выпускной квалификационной работы аспиранта и подготовке к сдаче кандидатского экзамена. 3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Процесс изучения дисциплины «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ООП по направлению подготовки Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии: 1. Универсальных компетенций: способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (УК-1); способность проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе междисциплинарные, на основе целостного системного научного мировоззрения с использованием знаний в области истории и философии науки (УК-2); готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3); готовность использовать современные методы и технологии научной коммуникации на государственном и иностранном языках (УК-4); способность следовать этическим нормам в профессиональной деятельности (УК-5); способность планировать и решать задачи собственного профессионального и личностного развития (УК-6). 2. Общепрофессиональных компетенций: владением методологией теоретических и экспериментальных исследований в области профессиональной деятельности (ОПК-1); владением культурой научного исследования в том числе, с использованием новейших информационно-коммуникационных технологий (ОПК-2); способностью к разработке новых методов исследования и их применению в самостоятельной научно-исследовательской деятельности в области профессиональной деятельности (ОПК-3); готовностью организовать работу исследовательского коллектива в профессиональной деятельности (ОПК-4); готовностью к преподавательской деятельности по основным образовательным программам высшего образования (ОПК-5). 3. Профессиональных компетенций: владением теоретическими и методологическими основами проектирования, эксплуатации и развития систем измерения электрических и магнитных величин (ПК-1); способностью ставить и решать инновационные задачи, связанные с разработкой систем метрологического обеспечения измерения электрических и магнитных величин (ПК-2); умением грамотно планировать эксперимент и осуществлять его на практике (ПК-3); умением применять современные информационные технологии в области измерения электрических и магнитных величин (ПК-4); умением разрабатывать и применять методы обработки результатов измерений и оценивания их неопределенностей (ПК-5). По окончании изучения дисциплины аспиранты должны будут: знать: принципы построения средств измерений электрических и магнитных величин; систему государственного надзора, межведомственного и ведомственного контроля за единством измерений электрических и магнитных величин; систему воспроизведения единиц электрических и магнитных величин и передачи размера средствам измерений; 3 способы оценки точности (неопределенности) измерений, испытаний и достоверности контроля; методы и средства контроля физических параметров электрических и магнитных величин принципы построения, структуру и содержание систем обеспечения достоверности измерений; методы и средства поверки, калибровки и юстировки средств измерений, разработки методики выполнения измерений. уметь: применять типовое контрольно-измерительное оборудование; устанавливать нормы точности измерений и достоверности контроля и выбирать средства измерений, испытаний и контроля; проводить обработку экспериментальных данных и оценки точности (неопределенности) измерений, испытаний и достоверности контроля; проводить поверку, калибровку, ремонт и регулировку средств измерения; применять аттестованные методики выполнения измерений, испытаний и контроля; иметь опыт: разработки планов метрологических исследований, алгоритмов обработки результатов измерений, оценки качества измерений; учёта нормативно-правовых требований при организации измерений электрических и магнитных величин. 4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Разделы дисциплины и виды занятий Приводимая ниже таблица показывает вариант распределения бюджета учебного времени, отводимого на освоение основных модулей предлагаемого курса согласно учебному плану в 3 и 4 семестрах. лекции семинары самостоятельная работа Кандидатский экзамен Всего учебных занятий (в часах) Объем работы (в часах) Трудоемкость (в ЗЕТ) 4.1 2 3 4 5 6 Раздел 1. Основы метрологии Тема 1. Предмет и задачи метрологии. 18 Тема 2. Средства измерений. 18 Тема 3. Эталоны. 18 Тема 4. Методы и принципы измерений. 18 Тема 5. Общие требования к измерениям. 18 Тема 6. Виды измерений. 18 Раздел 2. Методы и средства измерений электрических и магнитных величин 4 4 4 4 4 4 14 14 14 14 14 14 18 4 14 Наименование разделов и тем 1 Тема 1. Физические основы измерения электрических и магнитных величин. Тема 2. Электрические измерительные преобразователи. 18 4 14 Тема 3. Контроль параметров электрических и магнитных величин. 18 4 14 Тема 4. Системы автоматизированного контроля метрологических характеристик. 18 4 14 4 Тема 5. Методы повышения точности средств измерений. 18 4 14 Тема 6. Работы ТПУ в области прецизионного электронного приборостроения. 18 4 14 18 18 18 4 4 4 14 14 14 18 4 14 18 4 14 18 324 4 72 14 252 Раздел 3. Основы метрологического обеспечения Тема 1. Погрешности измерений. Тема 2. Обработка результатов измерений. Тема 3. Обеспечение единства измерений. Тема 4. Метрологическое обеспечение разработки, производства и эксплуатации технических устройств. Тема 5. Измерительные информационные системы как средства диагностики, контроля и поверки. Тема 6. Нормативно-правовая база обеспечения единства измерений. Всего по дисциплине 9 4.2. Содержание разделов и тем 1. Основы метрологии Тема 1. Предмет и задачи метрологии. Важнейшие термины и определения. Физические величины. Единицы физических величин. Системы единиц физических величин. Принципы создания естественной системы единиц. Размерность величин и единиц. Практические приложения теории размерностей. Международная система единиц (СИ). Тема 2. Средства измерений. Виды средств измерений. Меры и наборы мер. Измерительные аналоговые и цифровые преобразователи. Измерительные установки и принадлежности. Параметры и свойства средств измерений. Исходные (эталонные) средства измерений. Рабочие средства измерений. Отсчетные устройства: шкальные, цифровые, регистрирующие. Нормирование метрологических характеристик и классы точности. Способы выражения пределов допускаемой погрешности. Тема 3. Эталоны. Общие понятия. Государственные эталоны – первичные и специальные. Вторичные эталоны (эталоны-копии, сравнения и рабочие). Одиночный и групповой эталоны. Эталонный набор. Хранение эталонов. Перспективы развития эталонов. Тема 4. Методы и принципы измерений. Классификация методов измерений. Преобразование измеряемой величины в процессе измерений. Метод непосредственной оценки. Дифференциальный метод. Нулевой метод. Метод совпадений. Принципы измерений. Тема 5. Общие требования к измерениям. Анализ и постановка измерительной задачи. Выбор средств и методов измерений. Выбор числа измерений. Методика выполнения измерений. Способы обнаружения и исключения систематических погрешностей. Методы замещения, компенсации погрешности по знаку, противопоставления, симметричных наблюдений. Тема 6. Виды измерений. Прямые и косвенные измерения. Совокупные и совместные измерения. Однократные и многократные измерения. Равноточные и неравноточные измерения. 2. Методы и средства измерений электрических и магнитных величин Тема 1. Физические основы измерения электрических и магнитных величин. Основные положения теории электрических цепей. Виды электрических и магнитных величин. Законы Кирхгофа и Ома. Закон магнитной индукции Ампера. Теорема Ампера. Теория электромагнитного поля Максвелла. Методы измерений электрических и магнитных величин. Классификация средств измерений электрических и магнитных величин. Тема 2. Электрические измерительные преобразователи. Основные узлы электроизмерительных приборов. Измерения силы токов и напряжений. Измерения частоты, энергии и количества электричества. Измерения частоты и фазы. Анализ спектра электрических сигналов. Методы цифровой обработки электрических сигналов. Измерения параметров цепей постоянного и переменного тока. Измерения параметров магнитного поля, определение характеристик и параметров магнитных материалов. Методы и средства поверки средств измерений электрических и магнитных величин. Тема 3. Контроль параметров электрических и магнитных величин. Измерение зондирующего сигнала. Измерение параметров системы. Измерение показателей качества. 5 Точность измерений показателей качества. Контрольные допуски. Гарантированные допуски. Принципы назначения допусков. Алгоритм определения допусков. Ошибки при контроле по допускам. Вероятности ошибок контроля. Тема 4. Системы автоматизированного контроля метрологических характеристик. Методы автоматизированного контроля метрологических характеристик. Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразования. Квантование и дискретизация электрических сигналов. Системы сбора, передачи и представления данных измерений. Тема 5. Методы повышения точности средств измерений. Структурные методы повышения точности. Методы обратных преобразований, образцового сигнала, итеративные методы, коммуникационно-модуляционные. Структурно-алгоритмические и программные методы коррекции погрешностей. Тема 6. Работы ТПУ в области прецизионного электронного приборостроения. Многозначные меры напряжения, тока и мощности. Прецизионные масштабные преобразователи. Многофункциональные автоматизированные поверочные комплексы. 3. Основы метрологического обеспечения Тема 1. Погрешности измерений. Погрешность и достоверность результата измерения. Виды погрешности измерений. Точность, правильность, сходимость результатов измерений. Округление результатов измерений. Погрешности измерительных устройств в статическом и динамическом режиме. Расчет доверительных границ погрешности средств измерений. Суммирование погрешностей измерительного канала для зависимых и независимых составляющих. Расчет динамических погрешностей линейных и нелинейных измерительных устройств. Концепция неопределенности результатов измерений. Тема 2. Обработка результатов измерений. Требования к методам обработки результатов измерений. Группирование экспериментальных данных. Проверка гипотезы о виде распределения экспериментальных данных. Исключение грубых погрешностей. Обработка нормального распределения данных и отличного от нормального. Обработка результатов прямых однократных измерений. Обработка результатов косвенных, совместных, совокупных измерений. Проверка однородности и равноточности групп измерений при нормальном и отличном от нормального распределения. Обработка результатов нескольких однородных равноточных и неравноточных групп измерений. Тема 3. Обеспечение единства измерений. Система воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений. Эталоны. Поверочные установки. Стандартные образцы. Поверочные схемы и их обоснование. Обоснование межповерочных интервалов. Калибровка средств измерений. Тема 4. Метрологическое обеспечение разработки, производства и эксплуатации технических устройств. Средства измерений как основа метрологического обеспечения. Влияние средств измерений на точность и надежность технических устройств. Выбор средств измерений по точности. Тема 5. Измерительные информационные системы как средства диагностики, контроля и поверки. Интеллектуальные средства измерений. Распределенные системы сбора данных измерений. Локальные и глобальные измерительно-вычислительные сети. Программное обеспечение систем сбора измерительных данных. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем. Тема 6. Нормативно-правовая база обеспечения единства измерений. Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений». Общие положения, единицы величин. Средства и методики выполнения измерений. Метрологические службы. Государственный метрологический контроль и надзор. Калибровка и сертификация средств измерений. Сущность методологии проведения метрологического сопровождения и метрологической экспертизы технических объектов. Основные направления их совершенствования. 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Технология процесса обучения по дисциплине «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» включает в себя следующие образовательные 6 мероприятия: а) аудиторные занятия (лекционно-семинарская форма обучения); б) самостоятельная работа студентов; г) контрольные мероприятия в процессе обучения и по его окончанию; д) зачет в 3 семестре; экзамен в 4 семестре. В учебном процессе используются как активные, так и интерактивные формы проведения занятий: дискуссия, метод поиска быстрых решений в группе, мозговой штурм. Аудиторные занятия проводятся в интерактивной форме с использованием мультимедийного обеспечения (ноутбук, проектор) и технологии проблемного обучения. Презентации позволяют качественно иллюстрировать практические занятия схемами, формулами, чертежами, рисунками. Кроме того, презентации позволяют четко структурировать материал занятия. Электронная презентация позволяет отобразить процессы в динамике, что позволяет улучшить восприятие материала. Самостоятельная работа организована в соответствие с технологией проблемного обучения и предполагает следующие формы активности: самостоятельная проработка учебно-проблемных задач, выполняемая с привлечением основной и дополнительной литературы; поиск научно-технической информации в открытых источниках с целью анализа и выявления ключевых особенностей. Основные аспекты применяемой технологии проблемного обучения: постановка проблемных задач отвечает целям освоения дисциплины «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин» и формирует необходимые компетенции; решаемые проблемные задачи стимулируют познавательную деятельность и научноисследовательскую активность аспирантов. 6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ И Цель контроля - получение информации о результатах обучения и степени их соответствия результатам обучения. 6.1. Текущий контроль Текущий контроль успеваемости, т.е. проверка усвоения учебного материала, регулярно осуществляемая на протяжении семестра. Текущий контроль знаний учащихся организован как устный групповой опрос (УГО). Текущая самостоятельная работа студента направлена на углубление и закрепление знаний, и развитие практических умений аспиранта. 6.2. Промежуточная аттестация Промежуточная аттестация осуществляется в конце семестра и завершает изучение дисциплины «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин». Форма аттестации – кандидатский экзамен в письменной или устной форме. Кандидатский экзамен проводится в 4 семестре. Экзаменационный билет состоит из трех теоретических вопросов, тематика которых представлена в программе кандидатского экзамена. На кандидатском экзамене аспирант должен продемонстрировать высокий научный уровень и научные знания по дисциплине «Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин». 6.3. Список вопросов для проведения текущего контроля и устного опроса обучающихся: 1. Базовые метрологические термины и их определения 2. Классификация измерений 3. Погрешность результата измерения 4. Составляющие и источники погрешности и/или неопределенности 5. Точечные оценки погрешности измерения. 6. Состоятельность, несмещенность точечных оценок 7 7. Эффективность точечных оценок 8. Стандартное нормальное распределение и функция Лапласа 9. Доверительный интервал, доверительная вероятность и доверительные границы. 10. Грубая погрешность и методы ее устранения 11. Средство измерений (СИ) 12. Метрологические характеристики СИ 13. Характеристики инструментальной погрешности 14. Нормирование погрешностей СИ 15. Классы точности СИ 16. Регулировка и градуировка СИ. 17. Устранение и минимизация чувствительности к влияющим факторам 18. Методы компенсации систематической погрешности 19. Поверочная схема. Поверка и калибровка СИ. Методы поверки 20. Порядок обработки прямых многократных измерений 21. Построение гистограммы эмпирического распределения результатов многократных наблюдений 22. Проверка гипотезы о нормальности распределения результатов наблюдения 23. Порядок обработки прямых однократных измерений 24. Обработка косвенных измерений 25. Упрощенный расчет погрешности косвенных измерений 26. Сравнительный анализ понятий погрешности и неопределенности 27. Рекомендации Руководства по выражению неопределенности измерения 28. Совместные измерения и метод наименьших квадратов 29. Методы измерений 30. Виды измерений 31. Метод сравнения с мерой 32. Дифференциальный метод измерений 33. Нулевой метод измерений 34. Методы измерений замещением и дополнением 35. Методика выполнения измерений 36. Основные методы измерения сопротивления 37. Основные методы измерения ёмкости 38. Основные методы измерения индуктивности 39. Основные методы измерения напряжения 40. Основные методы измерения тока 41. Основные методы измерения мощности электрической энергии 42. Назовите назначение, приведите блок-схему и объясните принцип действия: а) генератора сигналов низкочастотного; б) вольтметра переменных напряжений; в) вольтметра постоянных напряжений; г) амперметра переменного тока; д) амперметра постоянного тока; е) частотомера; ж) ваттметра; з) счетчика электрической энергии; и) осциллографа 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Основная литература 1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Дрофа, 2005, 415 с. 2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1, М.: ДМК Пресс, 2001, 544 с. 8 3. Болотин И.Б., Эйдель Л.З. Измерения при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1988. – 200 с. 4. Брянский Л.Н., Дойников А.С., Крупин Б.Н. Метрология. Шкалы, эталоны, практика. – М.: ВНИИФТРИ, 2004. – 222 с. 5. Буль О.В. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. – М: Академия, 2006. 6. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. Учебное пособие для студентов вузов. – М. Высшая школа, 1991. 7. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. – 3-е изд., Л.: Энергоатомиздат, 1986, 488 с. 8. Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. – 320 с. 9. Любимов Л.И., Форсилова Н.Д., Шапиро Е.З. Поверка средств электрических измерений: Справочная книга. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. 10. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. – М.: Мир, 1990. – 535 с. 11. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Учебное пособие. – М.: Логос, 2001. – 408 с. 12. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 248 с. Справочная литература 13. Федеральный закон Российской Федерации от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений". 14. Юдин М.Ф., Селиванов М.Н., Тищенко О.Ф., Скороходов А.И. Основные термины в области метрологии. Словарь-справочник. Под ред. Ю.В. Тарбеева. – М.: Изд. стандартов, 1989. – 113 с. 15. Корнеева Т.В. Толковый словарь по метрологии, измерительной технике и управлению качеством. – М.: Русский язык, 1990. – 464 с. Дополнительная литература 16. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2002. –352 с. 17. Анцыферов С.С., Голубь Б.И. Общая теория измерений. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 176 с. 18. Брянский Л.Н., Дойников А.С., Крупин Б.Н. Метрология. Шкалы, эталоны, практика. – М.: ВНИИФТРИ, 2004. – 222 с. 19. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. М.: Изд. дом "Додэка-XXI", 2008. – 384 с. 20. Regtien P.P.L. Measurement Science for Engineers. Kogan Page Limited, 2005. 21. Семенко И.Г. Методы и средства измерения больших токов и их метрологическое обеспечение. – М.: Издательство стандартов, 1982. 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ 1. 2. 3. Лаборатория информационных технологий, 12 рабочих мест, мультимедийное оборудование, программное обеспечение MatLab, ANSYS, COMSOL, MultiSim. Лаборатория метрологии и стандартизации, 12 рабочих мест (оснащенных современными цифровыми генераторами сигналов, осциллографами и мультиметрами), рабочие эталоны (осциллограф двухканальный LeCroy WaveSurfer 62Xs, многофункциональный калибратор Fluke 5520А, программируемый мультиметр Agilent 3458А), мультимедийное оборудование. Лаборатория измерительных программных и информационных технологий, 15 рабочих мест, cистема графического программирования LabVIEW, системы сбора измерительных данных, мультимедийное оборудование. 9 4. Сертифицированный Центр технологий National Instruments (все основные платформы компании National Instruments: ELVIS, PXI, SCXI, CompactRIO, GPIB, 3D Vision, FieldBus), 12 рабочих мест, мультимедийное оборудование. 10