Основи метрології та електричних вимірювань

Сучасний рівень науки та техніки досягнуто завдяки метрології – науки про вимірювання, значним розділом якої є електричні вимірювання. Насиченість нашого середовища електротехнічними та електронними виробами безперервно зростає, підвищуються вимоги щодо точності та достовірності результатів вимірювань, тому очевидними є необхідність та важливість знань та навичок спеціаліста з вищою освітою в області метрології та вимірювань, необхідних для побудови та виконання вимірювальних експериментів.
Метою вивчення дисципліни «Основи метрології та електричних вимірювань» є формування у здобувачів комплексу знань, вмінь та розумінь необхідних для побудови та виконання вимірювальних експериментів в галузях електроніки, автоматики та систем управління.
Завдання дисципліни:
▪ опанування здобувачами основних положень метрології в частині забезпечення єдності вимірювань, методів та засобів дослідження необхідної точності;
▪ вивчення складу та принципу дії основних засобів електричних вимірювань, їх метрологічних характеристик;
▪ засвоєння методів вимірювання основних електричних величин та правил обробки результатів вимірювань згідно діючих сучасних стандартів;
▪ навчити складати принципову схему підключення засобів вимірювань для проведення експерименту;
▪ закріпити навички вибору методу та засобу вимірювань з урахуванням потрібної точності результату в реальних умовах виконання експерименту та аналізу результатів експериментальних досліджень.
Для досягнення мети вивчення дисципліни здобувачі повинні навчитися вирішувати завдання, які ставляться при вивченні дисципліни, це - засвоєння принципів дії основних метрологічних засобів, створювання вимірювальних систем та обробки результатів вимірювань та метрологічних досліджень.
Вивчення дисципліни направлено на вирішення типових задач метрології: забезпечення єдності вимірювань, використання в техніці методів та засобів дослідження та правил обробки результатів вимірювань.
Дисципліна «Основи метрології та електричних вимірювань» забезпечує засвоєння здобувачами головних положень метрології, надає та узагальнює набуті ними знання в галузі метрологічних понять, вимірювальних систем, елементів та методів, за допомогою яких ці методи реалізуються, та має націлити майбутніх фахівців на творче застосування отриманих знань у їх практичній діяльності.
Дисципліна базується на знаннях, отриманих при вивченні таких дисциплін, як «Вища математика», «Загальна фізика», «Теоретичні основи електротехніки».
Дисципліна забезпечує подальше вивчення дисциплін «Відновлювальні джерела енергії», «Промислова електроніка та перетворювальна техніка», «Теоретичні основи електротехніки», «Електричні апарати».
Лекційні заняття
СЕМЕСТРОВИЙ МОДУЛЬ 1
ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 1. Загальні положення метрології
Лекція 1. Основні поняття та визначення. Вступ. Обсяг, мета дисципліни
[1, с. 5-12, 24, 25]; [2, с. 3-26]; [12, с. 10-19, 28-25]
Основні наукові та практичні розділи метрології: вимірювання, забезпечення єдності вимірювань, методи та засоби досягнення необхідної точності вимірювань.
Фізична величина (ФВ). Розмір та розмірність ФВ. Одиниці ФВ. Значення ФВ: істинне, дійсне, виміряне.
Класифікація та призначення засобів вимірювань. Визначення засобів вимірювань.
Лекція 2. Метрологічні характеристики засобів вимірювань
[1, с.34-44, 62-84]; [2, с. 31-38]; [12, с. 85-113]
Визначення метрологічних характеристик (МХ). Нормовані МХ засобів вимірювань.
МХ вимірювальних приладів: рівняння перетворення; чутливість; ціна поділки; діапазони показу та вимірювань; частотні характеристики; потужність власного споживання; похибка.
Класифікація похибок приладів: абсолютна, відносна, зведена; основна та додаткова; систематична та випадкова; статична та динамічна.
Лекція 3. Клас точності приладів
[1, с. 49-53]; [2, с. 38-41]; [8, с. 7-12]
Клас точності засобу вимірювань: визначення, форми представлення та вигляд позначення. Використання класу точності для визначення похибок приладів.
Параметри періодичних електричних величин та їх визначення.
ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2. Засоби вимірювань
Лекція 4. Масштабові вимірювальні перетворювачі
[1, с. 145-155]; [2, с. 94-96, 122-125, 129-132, 210-222]; [8, с. 12-26];
[12, с. 131-134, 147, 150, 157, 165-171]
Шунти: призначення; внутрішні та зовнішні шунти; МХ та області використання шунтів. Схеми підключення шунтів до приладу. Розрахунок опору шунтів.
Додаткові резистори: призначення. МХ та області використання. Схеми підключення додаткових резисторів та приладу. Розрахунок опору внутрішніх додаткових резисторів.
Вимірювальні трансформатори струму та напруги. Призначення. МХ вимірювальних трансформаторів. Правила вибору та користування трансформаторами. Приклади схеми підключення приладів з трансформаторами в однофазових колах.
Лекція 5. Електромеханічні вимірювальні прилади (ЕВП)
[1, с. 170-184]; [2, с. 157-170]; [8, с. 50-53]; [12, с. 127-163]
Загальна структура побудови ЕВП. Аналіз властивостей приладів магнітоелектричної, електромагнітної, електростатичної, електродинамічної і феродинамічної систем.
Логометри.
Лекція 6. Електронно-променеві осцилографи (ЕПО) та прилади випрямної
і термоелектричної систем [1, с. 174-175, 184-192]; [2, с. 244-246]; [12, с. 224-227]
Електронно-променеві осцилографи.
Прилади випрямної системи. Аналіз властивостей приладів випрямної системи.
Прилади термоелектричної системи.

Лекція 7. Електронні та цифрові прилади
[1, с. 193-231]; [2, с. 184-192]; [8, с. 48-58]; [12, с. 189-197]
Властивості електронних вольтметрів залежно від схеми перетворювача.
Загальні принципи побудови цифрових приладів.
Метрологічні характеристики цифрових приладів.
Лекція 8. Мостові вимірювальні кола
[1, с. 234-246]; [2, с. 193-203]; [12, с. 205-216]
Схеми, рівняння рівноваги. Особливості врівноваження мостових кіл.
Одинарні та подвійні мости постійного струму.
Мости змінного струму для вимірювань ємності, індуктивності та інших характеристик конденсаторів і котушок.

СЕМЕСТРОВИЙ МОДУЛЬ 2
ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 3. Методи вимірювання електричних величин
Лекція 9. Види та методи вимірювань. Загальні визначення видів
[1, с. 17-21, 248-255]; [2, с.28-31, 210-222]; [8, с. 35-41]; [12, 38-43, 68-76]
Загальний огляд видів, методів і засобів вимірювань струму і напруги в колах постійного і змінного струму.
Похибки методу безпосередньої оцінки при вимірах струму і напруги.
Особливості вимірювань струму і напруги в колах з несинусоїдальною формою кривої.
Лекція 10. Вимірювання потужностей в колах постійного і змінного струмів
[1, с. 258-266, 268-269]; [2, с. 233-237]; [12, с. 172-183]
Вимірювання потужності та енергії в колах постійного та змінного струмів.
Прямий метод вимірювань.
Непрямі методи вимірювань і їх методичні похибки.
Лекція 11. Вимірювання потужності в трифазових колах
[1, с. 266-268]; [2, с. 238-241]; [8, с, 41-47]; [12, с. 172-183]
Вимірювання активної та реактивної потужності в трифазових колах.
Схеми включення лічильників в мережу через вимірювальні трансформатори струму та напруги.
Лекція 12. Методи та засоби вимірювань частоти
[1, с. 277-279]; [2, с. 243-246]; [12, с. 200-201, 233-238]
Прилади безпосередньої оцінки: електромеханічні, електронні та цифрові частотоміри.
Особливості використання МХ приладів при оцінці похибок.
Загальні рекомендації щодо вибору методів та приладів при вимірюванні частоти.

Лекція 13. Методи та засоби вимірювань куту фазового зсуву
[2, с. 241-243]; [12, с. 202-205, 242-245]
Принципи побудови та використання електронних та цифрових фазометрів.
Загальні рекомендації для вибору методів та приладів вимірювань кутів фазового зсуву.

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 4. Вимірювальний експеримент. Опрацювання результату вимірювань.

Лекція 14. Методичне забезпечення вимірювань.
[1, с. 21-23]; [2, с.42-47]; [8, с. 62-63, 63-69]; [12, с. 19-28]
Методики виконання вимірювань.
Правила вибору приладів для безпосереднього методу вимірювань.
Практичне застосування правил вибору приладів для проведення прямих вимірювань.
Лекція 15. Оцінка похибки вимірювань.
[1, с. 88-103, 108-111]; [2, с. 69-77]; [8, с. 26-35]
Оцінка похибки прямих вимірювань.
Оцінка похибки непрямих вимірювань.
Практичні заняття
Навчальний план не передбачає проведення практичних занять.
Лабораторні заняття
Мета лабораторних занять:
– вивчення майбутніми здобувачами складу та принципу дії основних типів сучасних вимірювальних приладів;
– придбання здобувачами навичок самостійної роботи з визначення метрологічних характеристик та параметрів вимірювальних приладів;
– розрахунок та придбання навичок вимірювання параметрів електричних кіл;
– порівняння метрологічних характеристик приладів різних систем;
– придбання навичок роботи з сучасними електронними та цифровими метрологічними та вимірювальними приладами.
Крім того метою лабораторних робіт є закріплення знань теоретичної частини дисципліни, прищеплення здобувачам початкових навичок дослідної роботи, зокрема, у плануванні та виконанні дослідів, у здійсненні вимірювань, у коректному оформленні результатів експерименту та правильній математичній обробці цих результатів з урахуванням похибок вимірювань; а також придбання навичок оцінки результатів експерименту, аналізу дослідних фактів, вмінню робити узагальнення і висновки.
Методичне забезпечення лабораторних робіт – методичні вказівки (МВ) [10].
Розрахунково-графічна робота
Індивідуальним завданням за робочим навчальним планом є розрахункова графічна робота (РГР). На виконання РГР відводиться 15 годин.
Мета РГР – формування умінь та практичних навичок в розрахунку та вибору засобів вимірювання для проведення експерименту, складанні необхідних схем підключення приладів та апріорній оцінці похибки результатів прямих та непрямих вимірювань.
Під час виконання РГР формуються уміння:
- розрахунку параметрів індивідуальних та вибору універсальних вимірювальних перетворювачів для приладів в колах постійного струму;
- опрацювання результатів вимірювання опору методом амперметра та вольтметра;
- оцінки активної та реактивної потужностей в трифазовому колі після визначення показів підключених ватметрів за допомогою побудови векторних діаграм навантаження;
- альтернативного вибору приладів для вимірювання напруги, струму, частоти, куту фазового зсуву, потужності та складання схеми їх підключення в однофазовому колі змінного струму;
- виконувати апріорну оцінку невизначеності результатів прямого та непрямого вимірювання;
Індивідуальні завдання на РГР для кожного здобувача, графік виконання завдань та методичні вказівки щодо їх виконання приведені в плані - графіку аудиторної та самостійної роботи і методичних вказівках [13].
Планування самостійної роботи здобувача

Самостійна робота є основним засобом засвоєння здобувачем навчального матеріалу в час, вільний від обов'язкових навчальних занять.
Співвідношення обсягів аудиторних занять і самостійної роботи здобувачів визначається навчальним планом підготовки першого (бакалаврського) рівня спеціальності 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» з урахуванням специфіки та змісту дисципліни, її місця, значення і дидактичної мети в реалізації освітньо-професійної програми.

РОЗПОДІЛ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ ЗДОБУВАЧА
В організації навчального процесу при вивченні дисципліни застосовується модульний поточний контроль. Модульний контроль здійснюється у таких формах:
- двох модульних контрольних робіт в семестрі;
- захисту кожної лабораторної роботи, що здійснюється протягом семестру після закінчення лабораторного заняття;
- захисту виконаних завдань РГР.

Завдання для самостійної роботи здобувачів при підготовці
до лекційних занять.
Для забезпечення реалізації головної методологічної концепції дисципліни, яка полягає в формуванні у здобувачів комплексу знань, вмінь та розумінь, необхідних для побудови та виконання вимірювальних експериментів в галузях електроніки, автоматики та систем управління, в кожному навчальному модулі кожний здобувач самостійно опрацьовує теоретичний матеріал, закріплює отримані теоретичні знання при виконанні експериментальної частини лабораторної роботи, та готується до поточного модульного контролю.
1. Обґрунтуйте доцільність трьох складових частин метрології.
2. Поясніть, яким чином забезпечується єдність вимірювань в Україні?
3. Продумайте, які переваги та недоліки має Міжнародна система одиниць СІ.
4. Поясніть, в чому різниця між багатозначною мірою та набором мір?
5. Дайте визначення поняттю «засоби вимірювання». Як відрізнити робочі і зразкові засоби вимірювання.
6. Поясніть різницю між термінами «вимірювальний перетворювач» та «вимірювальний прилад».
7. Як оцінити основну інструментальну похибку складного засобу вимірювання?
8. Поясніть, як підсумовують систематичні невиключні складові похибки.
9. Яким чином можна розрахувати опір шунта.
10. Дайте пояснения, чому шунти не застосовують для електромагнітних амперметрів?
11. Як розрахувати опір додаткового резистора.
12. Чому шунти і додаткові резистори виготовляють з манганіну?
13. Поясніть недоліки застосування шунтів, яка є альтернатива шунтам.
14. Приведіть мостові схеми вимірювання параметрів елементів кіл постійного струму. Перерахуйте умови рівноваги мостів.
15. Сформулюйте основні ознаки аналогового сигналу і аналогового приладу.
16. Приведіть структурну схему електромеханічних приладів та поясніть призначення окремих блоків схеми.
17. Розкажіть, як гасять коливання стрілки в механізмі магнітоелектричної системи?
18. Поясніть, чому верхня границя діапазону вимірювання амперметрів магнітоелектричної системи обмежена 100…200 мА ?
19. Сформулюйте закони електромагнетизму, які реалізуються у приладах електромагнітної системи.
20. Привести конструкцію приладів електромагнітної системи.
21. Поясніть будову і приведіть схему живлення електронно-променевого осцилографу (ЕПО).
22. Поясніть, яку функцію виконує модулятор?
23. Поясніть, яку функцію виконують аноди?
24. Дайте відповідь: на які пластини ЕПО подають досліджуваний сигнал?
25. Поясніть, для чого потрібна напруга розгортки, якою є її форма?
26. Поясніть, що таке синхронізація сигналів, як вона здійснюється?
27. Поясніть, як будується форма синусоїдного сигналу?
28. Поясніть, як вимірюють осцилографом частоту синусоїдного сигналу?
29. Поясніть методи перетворення аналогових сигналів в кінцевий ряд дискретних значень, що застосовують в цифрових приладах.
30. Приведіть структурні схеми електронних вольтметрів змінного струму. Поясніть властивості цих схем.
31. Розкрийте поняття: «відкритий» та «закритий» вхід вольтметра. Розкажіть про градуювання електронних вольтметрів змінного струму.
32. Приведіть особливості вимірювання опору елементів за допомогою амперметра та вольтметра.
33. Перерахуйте методи та засоби вимірювання частоти.
34. Приведіть опосередковані та прямі методи вимірювання куту фазового зсуву.
35. Дайте перелік джерел похибок вимірювання. Визначте види похибок за їх походженням і властивостями.
36. Поясніть опрацювання невизначеності результату прямих та опосередкованих вимірювань.
37. Приведіть та поясніть схеми вимірювання потужності в колах постійного та змінного струмів.
38. Приведіть схеми включення ватметрів при вимірюванні активної та реактивної потужностей в трифазних колах.
39. Сформулюйте правила включення приладів для вимірювання активної та реактивної потужностей в трифазних колах.
Завдання до самостійної роботи при підготовці до лабораторних занять
1. Вивчити визначення та форми представлення класу точності електровимірювальних приладів.
2. Привести перелік метрологічних характеристик засобів вимірювань.
3. Як визначити частотний діапазон вимірювального приладу змінного струму?
4. Надати відповідь: у чому полягає різниця між інформативною та неінформативною величинами?
5. Привести перелік вимог ДСТУ відносно представлення результату вимірювань.
6. Надати визначення терміну «повірка» та умови вибору зразкового приладу для проведення повірки.
7. Дайте алгоритм розрахунку основної інструментальної похибки складеного засобу вимірювання.
8. Приведіть схеми заміщення реальних вольтметрів та амперметрів для кіл постійного та змінного струмів різних частот.
9. Приведіть перелік методів та засобів вимірювань опору вольтметрів.
10. Поясніть розрахунок методичної похибки при вимірюванні напруги в колах постійного і змінного струмів.
11. Привести структурну блок-схему електронно-променевого осцилографу (ЕПО) та призначення окремих блоків.
12. Назвіть рекомендації, якими користуються при формуванні зображення на екрані ЕПО.
13. Перерахуйте основні складові електронно-променевої трубки та поясніть принцип формування зображення на екрані ЕПО.
14. Приведіть схему формування фігури Лісcажу при вимірюванні куту фазового зсуву за допомогою осцилографа.
15. Приведіть схему формування фігури Лісcажу при вимірюванні частоти за допомогою осцилографа.
16. Приведіть схему та рівняння рівноваги одинарного моста постійного струму.
17. Накресліть схему одинарного моста з чотиризатискачевим підключенням об’єкта, опір якого вимірюється.
18. Приведіть схеми для вимірювання опору методом амперметра та вольтметра. Як визначити методичні похибки вимірювань?
19. Приведіть структурну схему цифрового частотоміру та поясніть принцип вимірювання частоти.
20. Приведіть блок-схему та поясніть принцип дії цифрового частотоміра.
21. Приведіть блок-схему та поясніть принцип дії цифрового вимірювача періоду.
22. Назвіть переваги та недоліки цифрових вимірювачів частоти.
23. Поясніть фізичний зміст величини «частота» та основи, на яких базуються методи вимірювання її значень.
24. Сформулюйте правила включення ватметрів для вимірювання активної потужності в трифазних колах.
25. Сформулюйте правила включення ватметрів для вимірювання реактивної потужності в трифазних колах.
26. Зобразіть та поясніть схеми включення приладів для вимірювання активної потужності в трифазних колах.
27. Зобразіть та поясніть схеми включення приладів для вимірювання реактивної потужності в трифазних колах.
Завдання до самостійної роботи при виконанні та захисту РГР
1. Запишіть формулу розрахунку опору шунта.
2. Запишіть формулу розрахунку опору додаткового резистора.
3. Сформулюйте правила вибору універсальних шунтів.
4. Пояснить, як розрахувати основну інструментальну похибку приладу, якщо в його складі є шунт, додатковий резистор чи інший перетворювач.
5. Поясніть, з якою ціллю в колах змінного струму використовують вимірювальні трансформатори.
6. Поясніть в чому полягає суттєва різниця між трансформаторами струму та напруги.
7. Сформулюйте правила вибору трансформаторів.
8. Оцініть похибку вимірювання напруги з урахуванням інструментальної похибки приладу та трансформатора напруги.
9. Оцініть похибку вимірювання струму з урахуванням інструментальної похибки приладу та трансформатора струму.
10. Оцініть похибку вимірювання енергії з урахуванням інструментальної похибки приладу і трансформаторів напруги та струму.
11. Поясніть, як виміряти осцилографом амплітуду, період, частоту синусоїдного сигналу.
12. Зобразіть схему підключення осцилографу для вимірювання кута зсуву фаз в режимах лінійної та кругової розгорток.
13. Запишіть формули розрахунку основної відносної похибки результату вимірювання, виконаного за допомогою електронно-променевого осцилографа.
14. Поясніть, як розрахувати основну інструментальну похибку приладу.
15. Розкрийте поняття: «інформативна» та «впливова» величина.
16. Поясніть, що таке додаткова похибка і як її урахувати.
17. Поясніть на прикладі урахування методичної похибки.
18. Приведіть приклади схем підключення індукційних лічильників.
19. Приведіть схеми включення ватметрів при вимірюванні активної та реактивної потужностей в трифазних колах.
20. Сформулюйте правила включення приладів для вимірювання активної та реактивної потужностей в трифазних колах.
21. Запишіть формули розрахунку виправленого значення опору резистора для двох схем підключення приладів при опосередкованому вимірюванні.
22. Поясніть вибір виду основної похибки при опосередкованому вимірюванні.
23. Запишіть формулу для знаходження основної похибки при опосередкованому вимірюванні активного опору.
24. Сформулюйте основні рекомендації вибору приладів в методі безпосередньої оцінки.
25. Приведіть схеми включення основних електричних приладів.
26. Поясніть, як розрахувати основну інструментальну похибку вимірювання по класу точності приладу.
27. Дайте перелік джерел похибок вимірювання. Визначте види похибок за їх походженням і властивостями.
28. Накресліть схему підключення двохелементного лічильника активної енергії при а) безпосередньому б) за допомогою трансформаторів струму та напруги.
29. Приведіть основні характеристики, за якими обіраеться ватметр для вимірювання в методі безпосередньої оцінки.

Підсумковий контроль

Підсумковим контролем з дисципліни є залік, оцінка за який складається з суми балів за оцінювання модульних контрольних робіт, розрахунково-графічної роботи та лабораторних робіт.
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ РІВНЯ НАВЧАЛЬНИХ ДОСЯГНЕНЬ ЗДОБУВАЧIВ
Оцінювання знань здобувачів виконується у відповідності до Наказу «Про організацію навчального процесу» Національного університету «Одеська політехніка» та Додатків до нього. На вивчення дисципліни за навчальним планом в 3 семестри виділено 3,0 кредити, що розподіляються між модульними контрольними роботами, накопичувальною частиною дисципліни: лабораторними заняттями і РГР.

Критерії оцінювання модульних контрольних робіт

Модульні контрольні роботи виконуються у письмовій формі. Модульна робота складається з теоретичної частини та практичної частини.
Теоретичні питання в першому модулі оцінюються 3-мя балами, в другому – 4-мя балами.
Практичні завдання оцінюються залежно від складності від 3 до 8 балів.
Неявка на модульну контрольну роботу – 0 балів.
Протягом семестру виконується дві модульні контрольні роботи.