1. Несколько важных слов о метрологии
Целью дисциплины "Основы метрологии и измерительной техники" является ознакомление студентов с древней, но постоянно обновляющейся и совершенствующейся наукой об измерениях - метрологией.
Трудно сказать, когда и какое простейшее средство измерений было изобретено впервые. Может это были солнечные часы, может флюгер, показывающий направление ветра. А может человек начал измерения с участков земли, которые он обрабатывал.
В наши дни любая лаборатория поражает обилием разнообразных средств измерений. Приборы вездесущи. Их можно встретить на Земле, в глубине океанов, в космосе и на поверхности Луны. Метрология и другие области науки непрерывно обогащают друг друга. Особенно плодотворно взаимное влияния метрологии и физики. Метрология использует достижения и открытия физики, физики используют средства измерений для новых открытий. Классическим примером стало открытие дейтерия при повышении точности измерения плотности воды. В метрологию активно внедряются теория вероятностей, теория информации и другие разделы кибернетики. Современная измерительная техника не может обойтись без электроники, вычислительной техники, лазеров, интеллектуальных информационных технологий.
Материально-технической базой метрологии является измерительная техника. Современные приборы способны работать в составе сложных установок и систем и, кроме того, могут обладать определенным интеллектом. Но если в измерительный прибор встроить микропроцессор или в измерительную систему включить ЭВМ, только от этого они умнее и точнее не станут. Процессор нужно снабдить хорошей программой. Качество программы определяется в первую очередь заложенными в нее метрологическими методами.
В наши дни требования к точности, чувствительности, быстродействию, надежности средств измерений непрерывно повышаются. В то же время неуклонно усложняются условия эксплуатации измерительной техники. В практике измерений и научных исследованиях изменения температуры, влажности, давления, напряжения питания, радиации и других влияющих величин происходят в самых широких пределах. Сложные средства измерений, в частности, информационно-измерительные системы, характеризуются широкими диапазонами измерений множества параметров и сложностью их взаимодействия между собой.
Конечно, небольшой курс, представленный для изучения, не сможет сделать из Вас квалифицированного специалиста в области метрологии и измерительной техники, но, изучив его, Вы усвоите терминологию метрологии, метрологический подход к экспериментальным исследованиям, правила представления результата измерения, основы обработки результатов измерений, правила работы со средствами измерений. Это поможет Вам при проведении экспериментальных исследований, связанных с Вашей профессиональной деятельностью, а полученные знания и навыки в области метрологии и измерительной техники будут дополняться и совершенствоваться в процессе практических исследований.
2. Несколько слов о нашей обучающей системе
Обучающая система предназначена для изучения курса "Основы метрологии и измерительной техники", который входит в планы подготовки бакалавров практически всех инженерных специальностей. Предполагаемое время начала обучения – 3-й семестр. Предполагается, что студенты имеют некоторый базовый уровень знаний в области математики (дифференциальное и интегральное счисление, основы теории вероятностей) и физики. Если кое-что из теоретического материала может показаться сложным, можно сосредоточиться на практических аспектах курса.
Обучающая система включает в себя лекции, лабораторные работы и расчетную работу. Изучение лекций сопровождается тестированием, что позволяет осуществить контроль за процессом обучения или проводить самоконтроль с целью определения уровня обученности.
Выделены три основных раздела (курса) обучающей системы: базовый, основной и расширенный.
Базовый курс решает задачи формирования фундаментальной системы знаний (базовых знаний) и является одинаковым для всех специальностей. Основной курс дополняет базовый с целью оптимизации содержания учебных курсов исходя из государственных образовательных стандартов отдельных специальностей.
Расширенный курс расширяет и углубляет основной в соответствии с интересами и способностями обучаемого.
Для каждого специального курса схема объединения лекций базового и основного курса соответствует оптимальной последовательности процесса обучения.
Перечень лабораторных работ выбирают из лабораторного практикума, имеющегося в системе, исходя из направленности и специфики конкретной специальности.
Расчетная работа позволяет закрепить практические навыки, полученные при изучении лекционного курса.
3. Цели создания системы
Система предназначена для изучения основ метрологии и измерительной техники, выработки у обучающихся метрологического подхода, который основывается на понятиях метрологии, систематизированным по родовым группам, особенностям анализа погрешностей средств измерительной техники и процедуры измерения, способов представления результатов измерения с использованием неопределенности, методов обработки результатов при прямых, косвенных, совместных и совокупных измерениях, метрологических характеристик средств измерительной техники, способов их нормирования и определения на основе экспериментальных исследований и теоретических расчетов, основ метрологического обеспечения.
4. Область знаний и целевая аудитория
Области знаний, положенные в основу системы – метрология, теория погрешностей измерений и средств измерительной техники, экспериментальная информатика.
Целевая аудитория – студенты младших курсов технических специальностей, специалисты, связанные с разработкой и использованием средств измерительной техники.
5. Состав системы
Структура системы дистанционного обучения по дисциплине «Основы метрологии и измерительной техники» имеет следующие особенности:
1. Структура системы должна отвечать требованиям линейно-концентрического структурирования учебного материала.
2. Выделены три основных раздела (курса) обучающей системы (рис. 1)
Рисунок 1. – Иллюстрация структуры обучающей системы при отсутствии общего материала в основных курсах двух специальностей (а) и при наличии общего материала в основных курсах двух специальностей (б)
4. В рамках базового курса обучающийся не допускается к изучению последующих СФЭК, если предыдущий, связанный с ним логически, не усвоен на требуемом уровне.
5. Последовательность работы в основном и расширенном курсах не регламентируется.
Все виды работ по дисциплине “ОМИТ” проходят в среде LearningSpace, со следующим разбиением материала:
Основы измерительной техники представлены лекциями и лабораторными работами по измерению тока и напряжения, измерению параметров сигналов с помощью осциллографа.
В Расширенный курс обучения входят занятия и контрольные задачи, которые сопровождают изучение дисциплины, охватывают разделы нормирования погрешностей СИТ, оценивания характеристик погрешности измерения, представления результата измерения, обработки результатов при прямых и косвенных измерениях, оценивание метрологических характеристик как средства измерения (СИ) целиком, так и отдельных средств измерительных операций (преобразователей, вычислительных компонентов).
В лабораторных работах проводятся реальные эксперименты с помощью виртуальных средств измерительной техники, которые позволяют формировать умения и навыки по измерению физических величин и оценке неопределенности результата измерения.
6. О дистанционном обучении по дисциплине «Основы метрологии и измерительной техники»
При обучении полный обязательный лекционный курс представляет собой совокупность базового курса, включающего материал 12 лекций, одинаковых для всех специальностей, и основного курса, специфического для данной специальности и включающего 6 лекций. Расширенный курс рассчитан на студентов, желающих углубить подготовку в области метрологии и измерительной техники. Поэтому линейно-концентрическая структура лекционного материала может быть представлена в виде рис. 2.
Рисунок 2. – Иллюстрация структуры лекционного материала
Лабораторное оборудование в виртуальном исполнении представляет собой тренажеры и модели. Не предполагается, что модели будут заменять реальные инструменты (средства измерений), однако они могут служить студентам могучим вспомогательным дидактическим инструментальным средством, чтобы помочь им познакомиться со средствами измерительной техники и средствами управления ими с использованием как в классе, так и отдаленно (дистанционно). Реальные измерения физических свойств являются обязательными, чтобы обеспечить детальную подготовку студентов и чтобы они лучше разбирались в процедурах измерения и в средствах измерения. Наличие доступа к отдаленным территориальным сетям с инструментальным оборудованием, соединенным через вычислительную сеть, является интересным решением для ограничения расходов на подготовку (обучение) без ущемления образовательных возможностей.
Последовательность изучения материала базового и основного курса приводится отдельно для каждой специальности. Примером может служить обучающая последовательность для специальности «Системы управления и автоматизации» факультета информатики и вычислительной техники (ФИВТ).
Нумерация лекций базового курса 1 – 12.
Нумерация лекций основного курса содержит две цифры: номер лекции (1, 2,…,6) и номер специальности (1, 2,…). Например: лекция 1.1 – первая лекция основного курса специальности 1.
Лекция 2. Основные понятия. Средства измерительной техники. Погрешности измерения – (Базовый курс)
Лекция 3. Методы измерений: уравновешивания, сопоставления, Нониуса, замещения, дифференциальный – (Базовый курс)
Лекция 1.1 Характеристики случайных погрешностей – (Основной курс)
Лекция 2.1 Методы повышения точности измерений – (Основной курс)
Лекция 3.1 Методы повышения точности: способы обнаружения систематических погрешностей – (Основной курс)
Лекция 4. Нормирование погрешностей средств измерений. Классы точности – (Базовый курс)
Лекция 5. Представление результата измерения. Прямые однократные измерения – (Базовый курс)
Лекция 6. Прямые многократные измерения, методика обработки результатов – (Базовый курс)
Лекция 7. Косвенные измерения, оценивание систематической и случайной погрешности – (Базовый курс)
Лекция 4.1 Косвенные однократные и многократные измерения, оценивание погрешностей, запись результата – (Основной курс)
Лекция 5.1 Погрешности СИТ: характеристики и погрешности измерительных преобразователей, погрешности эталонов и мер – (Основной курс)
Лекция 8. Обеспечение единства измерений – (Базовый курс)
Лекция 6.1 Организационные основы метрологического обеспечения – (Основной курс)
Лекция 9 Основные характеристики цифровых средств измерений – (Базовый курс)
Лекция 10. Измерения постоянных напряжений и токов – (Базовый курс)
Лекция 11. Измерения переменных напряжений и токов – (Базовый курс)
Лекция 12. Измерения с помощью осциллографа – (Базовый курс)
Контрольное тестирование
Лабораторные работы
Расчетная работа
В настоящее время руководство ISO по представлению результата измерения (Guide to the Expression of Uncertainity in Measurement. International Organization for Standartization. 1993, ISBN 92-67-10188-9) является ключевым документом, которым пользуются Национальные институты метрологии и измерительной техники и калибровочные лаборатории почти всех стран мира. Поэтому в курсе “Основы метрологии и измерительной техники” представление результата измерения производится в соответствии с этим документом (хотя в учебниках по метрологии и метрологических документах Украины еще сохранился прежний подход). Это относится к лекционному материалу в части представления результата измерения и к практическим и лабораторным занятиям в части обработки результатов измерения и представления окончательного результата.
Особенностью представления результата с использованием неопределенности является то, что погрешности измерения не делят на систематические и случайные, а представляют результат только с указанием итоговой неопределенности, которая может быть выражена или в виде среднего квадратического отклонения или в виде границ интервала, симметричного относительно результата измерения. Такое представление характеристик неточности результата диктует определенные правила обработки результатов измерения. Систематическую погрешность исключают и при этом учитывают только неисключенную систематическую погрешность (погрешность поправки), которую представляют так же, как и случайную погрешность и, в свою очередь, объединяют со случайной.
При подходе к измерению с точки зрения потредителя руководство ISO упрощает форму представления результата измерения по сравнению с действующей на территории СНГ МИ 1317-86. Однако в некоторых случаях результат с указанием неопределенности оказывается менее информативным (например, при представлении промежуточных результатаов, которые подвергаются дальнейшей обработке).
При анализе составляющих погрешности средств измерений (проектирование средств измерений), при разработке алгоритмов обработки результатов измерений (трансформация погрешностей) необходимо иметь более богатую информацию о характеристиках погрешности. Это связано, например, с коррекцией погрешностей, с использованием алгоритмов, повышающих точность измерения за счет адаптации к моделям погрешности и объекта измерения. В этих случаях сохранен подход с разделением погрешности на систематическую и случайную с указанием необходимых характеристик погрешности.
Разработчики