Теория Справочник Практикум Контроль знаний Об авторах  



Курсовая работа

Общие положения

Курсовая работа является заключительным этапом в изучении студентами дисциплины «Основы метрологии, стандартизации и сертификации» и имеет своей целью:

- систематизацию, закрепление и расширение теоретических и практических знаний по дисциплине и применение этих знаний при решении конкретных технических, научных, экономических и производственных  задач;

- развитие навыков выполнения самостоятельной работы, овладение методами исследования и экспериментирования при решении вопросов научно-исследовательского характера.

Курсовая работа является подготовительной ступенью к решению студентами более сложной квалификационной задачи – выполнению дипломного проекта.

Методические указания разработаны в соответствии с образовательной  программой по дисциплине “Основы метрологии, стандартизации и сертификации” для студентов высших учебных специальности “Информационно-измерительная техника и технологии”, утверждённой Министерством науки и образования РФ.

Текстовый, расчётный и графический материал должен быть выполнен с соблюдением требований стандарта СТП 12400–2004 высшего профессионального образования АлтГТУ к выполнению курсового проекта (работы).

Вариант задания для курсовой работы соответствует порядковому номеру студента по списку группы.

Теоретические сведения, необходимые для выполнения работы, представлены в соответствующих лекционных модулях, номера которых приведены в задании.     

Структура пояснительной записки

 

Пояснительная записка к курсовой работе должна включать основные структурные элементы (титульный лист; задание; содержание; введение; основную часть; вывод, заключение; список использованных источников).

Введение должно содержать сущность и значимость темы, цель курсовой работы.

Основная часть пояснительной записки должны содержать следующие разделы:

- обзор существующих методов и средств измерений заданной физической величины;

- обоснованный выбор метода и средства измерения заданной физической величины;

- метрологическую характеристику измерительного канала;

- статистическую обработку результатов многократных измерений;

- нормирование погрешности средства измерений по результатам многократных экспериментов;

- принципы метрологического обеспечения, особенности стандартизации и сертификации в области измерений заданной физической величины.

Основная часть должна составлять не менее 80% от полного объема пояснительной записки.

Объем текстовой документации должен составлять не менее 25 - 30 страниц машинописного текста.

 

Цели и задачи курсовой работы

Целью данной работы является применение знаний в области метрологии по повышению качества измерений, правильного выбора и использования средств измерений, направленных на решение технических проблем, связанных с обеспечением качества продукции и услуг, стандартизации и сертификации производства на основе использования стандартов и норм, контроля за их соблюдением.

Задачами данной курсовой работы является привитие практических навыков, связанных с применением современных требований по метрологическому обеспечению производства, практическому применению методов обработки и представления результатов измерений, правил выбора средств измерений для решения конкретных измерительных задач; рациональному выбору современных средств измерений физических величин при организации и проведении измерительного эксперимента, современных методов исследования метрологических характеристик средств измерений; использованию современных математических методов, применяемых в задачах обработки результатов наблюдений, методов оценивания характеристик электронных средств измерений, справочного аппарата для выбора средств измерений, методов организации измерительного эксперимента, выбора средств измерений для решения конкретных измерительных задач; выполнения метрологических расчетов при обработке результатов наблюдений измерительного эксперимента; представления результатов измерений; оформления электрических схем, чертежей и составления спецификаций, расчетов несложных функциональных узлов и выбора элемента для их практической реализации; использования прикладных программ для обработки результатов измерений; анализа конкретных ситуаций и решения задач в области метрологической деятельности, стандартизации и сертификации. 

 

Методические рекомендации и порядок выполнения курсовой работы

Обзор и сравнительный анализ существующих методов и средств измерений заданной физической величины

 

С использованием различных источников произвести обзор и сравнительный анализ современных методов и средств измерений заданной физической величины с указанием метрологических и эксплуатационных характеристик используемых при этом и средств измерений. Данные желательно представить в виде сводной таблицы.

 

 Выбор средств измерений (модули  № 6 - 7)

При выборе средств измерений учитывают совокупность метрологических (цена деления, погрешность, пределы измерений и т.п.), эксплуатационных и экономических показателей, к которым относятся: массовость и доступность их для контроля; стоимость и надежность средств измерений; метод измерения; время, затрачиваемое на настройку и процесс измерения; масса, габаритные размеры, рабочая нагрузка; режим работы и т.д. При этом могут быть рекомендованы следующие общие принципы выбора средств измерений:

1. Относительная погрешность средств измерений должна быть на 25-30% ниже заданной или расчетной погрешности измерения.

2. Выбор средств измерений зависит от масштаба производства, количества находящихся в эксплуатации однотипных технических средств. Например, в массовом производстве с отработанным технологическим процессом используют высокопроизводительные автоматизированные средства измерения  контроля. Универсальные средства измерения применяются преимущественно для наладки оборудования.

3. Метод измерения выбирают исходя из целей контроля и условий эксплуатации оборудования.

4.При выборе средств измерений по метрологическим характеристикам учитывают следующие факторы:

- если технологический процесс неустойчивый, то нужно, чтобы рабочий диапазон средств измерений превышал пределы возможных изменений измеряемого параметра;

- цена деления шкалы прибора должна выбираться с учетом заданной точности измерений;

- относительная погрешность в пределах рабочего участка шкалы средства измерений не должна превышать приведенную погрешность более чем в три раза;

- первичные преобразователи должны потреблять минимум энергии от объекта измерения, и их подключение не должно нарушать его нормальной работы.  

 

Расчет погрешности измерительного канала (модуль № 5)

Расчет погрешности измерительного канала сводится к оценке СКО отдельных звеньев (σi) с учетом дополнительных погрешностей от влияющих факторов и нахождения суммарной погрешности процесса измерительного преобразования:

Пример.

Определить погрешность канала измерения мощности, структурная схема которого приведена на рисунке.

Здесь ТТ и ТН – соответственно трансформаторы тока и напряжения; ПР1 и ПР2 – преобразователи мощности и тока в напряжение; К – коммутатор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

Исходные данные.

Относительная погрешность ТТ, приведенная к началу диапазона измерения, составляет  δттн = 0,1%, а к концу - δттк  = 0,5%. Относительная погрешность ТН   δтн =0,5%. СКО погрешности преобразования мощности состоит из пяти составляющих: основной погрешности (1%); погрешности от пульсаций (0,2%); дополнительной погрешности от изменения cosφ (0,15%); cosφ=0,85; погрешности от колебания напряжения питания (0,1%) и от колебаний температуры окружающей среды (0,6%). Погрешность от изменения температуры окружающей среды (0,06%). Погрешность коммутатора на 128 каналов состоит из трех составляющих: погрешности падения напряжения открытого ключа (0,4%); от утечки тока в каждом из 127 закрытых ключом каналов (0,13%) и пульсации несущей частоты (0,06%). Для АЦП в начале и в конце диапазона δАЦПн  =0,2% и δАЦПк  =0,3%.

Решение.

1. Учитывая вид закона распределения погрешности,  принимаем значение квантильного коэффициента (К). Например, для равномерного закона равным К=1,73 и по формуле  находим  σттн = 0,06%, а в конце диапазона  σттк  = 0,29%.

2. Для трансформатора напряжения δтннтнк=0,5%. Принимая предыдущие условия, получим σтннтнк=0,29%.

3. Для преобразователя мощности  = =1,06%.

Поскольку преобразователь мощности не имеет других погрешностей, то общая погрешность преобразователя составит:

= =1,3%.

4. Для коммутатора, принимая условия пункта 1,

=0,24%.

5. Относительная погрешность АЦП заданы. Полагая закон их распределения равномерным, получим

       

6. Окончательно СКО измерительного канала для конца диапазона составит

=1,37%,

а для начала диапазона измерения

=1,71%.

7. Приняв квантильный коэффициент К=1,95 для доверительной вероятности Р=0,95, окончательно для начала и конца диапазона измерений получим

δк=1,95·1,37=2,66%,     δн=1,95·1,71=3,32%.

Тогда с учетом округлений можно записать:

δик(х)=±[2,5+3]

где х – текущее значение измеряемой величины; хп – предел диапазона измерения.

Это расчетное значение погрешности следует умножить на коэффициент запаса, учитывающий старение элементов измерительного канала. Можно принять, что скорость старения не превышает 0,1% в год.

 

Статистическая обработка результатов многократных наблюдений (модули № 2 - 5)

 

Для выполнения расчетов используются результаты многократных наблюдений (в пределах 80-100 значений). Массив экспериментальных данных можно, например, сгенерировать в среде Mathcad. При этом значение математического ожидания измеряемой величины определяется номером учебной группы студента и его порядковым номером в списке группы (номером варианта), а среднее квадратическое отклонение результатов измерений определяется найденной выше погрешностью измерительного канала :

M(x) = (№гр·10) + №вар;

Перечень основных операций по математической обработке массива данных.

1. Определить параметры, характеризующие закон распределения случайной величины.

2. Оценить нормальность закона распределения случайной величины, оценить степень расхождения его с нормальным законом распределения.

3. Исключить грубые погрешности и выполнить точечную оценку истинного значения величины.

4. Выполнить оценку истинного значения измеряемой  величины и его СКО с помощью доверительных интервалов неопределенности при заданных уровнях доверительной вероятности.

 

Рекомендации к выполнению статистической обработки результатов многократных наблюдений

 

1.  Находим начальные и центральные моменты закона распределения случайных величин. Моменты являются характеристиками случайных величин (т.е. результатов измерений).

1.1. Принимаем, что первый начальный момент или математическое ожидание М(х) соответствует среднему арифметическому результатов наблюдения :

,

где n число измерений.

    1.2. Первый центральный момент соответствует сумме остаточных отклонений и должен быть равным нулю:

     1.3. Второй центральный момент соответствует дисперсии и характеризует степень рассеяния результатов измерений относительно истинного значения. Дисперсия вычисляется по формуле:

.

     1.4.  Третий центральный момент служит характеристикой скошенности закона распределения случайной величины. С его помощью определяется коэффициент асимметрии:

,

где  ;

      - среднее квадратичное отклонение (СКО).

 Положительное или отрицательное значение  коэффициента асимметрии говорит о том, что рассеяние результатов в окрестностях истинного значения смещены, соответственно, в сторону больших или меньших значений.

    1.5. Четвертый центральный момент используют для определения коэффициента эксцесса (), характеризующего форму вершины закона распределения случайной величины.

;

где ;

   говорит о том, что малые отклонения встречаются чаще при >0 или реже при <0.

Сведения о  полученных данных заносим в таблицы:

n

1

2

3

n-1

N

Xi

M(x)

D(x)

 

2. Оценка нормальности закона распределения случайных величин, оценка степени расхождения с нормальным законом распределения случайных величин.

   2.1. Сделаем предположение о нормальности закона распределения случайных величин.

   2.2 Строим гистограмму, для этого весь диапазон полученных результатов в интервале от Xmin  до Xmax   разбиваем на количество интервалов r :

.

2.3. Для каждого интервала определяем статистическую частоту ,

где mi - число измерений, попавших в интервал.

   интервал

       [..;..]  

     [..;..]

      [..;..]

       [..;..]

          mi

         Pi*

   3. Оцениваем меру расхождения экспериментального закона распределения результатов измерений с теоретическим (нормальным) с использованием критерия - Пирсона (хи - квадрат распределения Пирсона).

3.1. Для этого определим статистические оценки числовых параметров: математического ожидания для отклонения и дисперсии по формулам:

 ,

где - середины интервалов.

3.2. Находим теоретические вероятности попадания случайной величины в каждый интервал, используя функцию Лапласа:

=[(xi,+)/S]-

3.3. Определим суммарную меру расхождения сравниваемых законов:

3.4. Находим число степеней свободы для гистограммы:

        k=r-s,

где r-число разрядов интервалов гистограммы , s-число независимых связей, наложенных на частости Pi .

По таблице, зная значения: k  и  , определяем вероятность и уровень значимости. Делаем вывод о том, что с определенным уровнем значимости можно утверждать о соответствии полученного рассеяния результатов измерений нормальному закону распределения случайных величин.

4. Исключение грубых погрешностей. Точечная и интервальная оценка истинного значения измеряемой физической величины.

4.1. Грубыми называются такие погрешности, которые существенно превышают значения ожидаемых погрешностей при данных условиях измерений. Для их оценки воспользуемся методом трёх сигм (3). Так как при нормальном законе распределения случайных величин вероятность появления погрешностей превышающих 3 незначительна, то погрешности, превышающие значение З, можно не учитываются в расчетах.

4.2. Выполнить точечную оценку измеряемой величины.

Значение истинного результата измерений  (Q)  при точечной оценке можно записать в виде:

Q = ,

где - СКО среднего арифметического;

       - среднее арифметическое.

Найдем sх по формуле:

.

Запишем точечную оценку истинного значения: Q

4.3. Выполнить оценку истинного значения с помощью доверительных интервалов.

При интервальной оценке величину Q можно записать в виде:

Q = ,

где tp квантиль (коэффициент Стьюдента или Гаусса).

Квантиль находят по таблице, зная доверительную вероятность для математического ожидания ) и число степеней свободы (k):

k = n -1,

 где n - число измерений.

4.4. Определить значение точечной оценки для СКО СКО результатов измерений по формуле:

  

4.5. Найти  границы доверительного интервала для СКО.

Доверительная вероятность для СКО () указана в задании.

     

Найдем по таблице распределения Пирсона, зная число степеней свободы k=n-1 и доверительную вероятность , значения , а также значения .

Тогда границы доверительного интервала для СКО будут равны:

 ,        

Это значит, что значение СКО с вероятностью   находится в интервале [].

Вопросы метрологического обеспечения стандартизации и сертификации

(модули № 6 - 8)

 

Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в обеспечении единства и качества измерений как совокупности взаимосвязанных процессов.

В работе должны быть отражены следующие вопросы:

- нормативно правовые основы МО;

- обеспечение государственного метрологического надзора и контроля за соблюдением метрологических норм и правил;

- испытание и утверждение средств измерений;

- поверка средств измерений;

- калибровка средств измерений;

- метрологическая аттестация средств измерений;

- методики выполнения измерений;

- метрологическая экспертиза документации и оборудования.

По теме стандартизация необходимо:

- рассмотреть вопросы, связанные с установлением  и применением правил, направленных на упорядочение деятельности в области измерений;

- отразить задачи, стоящие перед государственной системой стандартизации и принципы ее организации в РФ;

- работы, выполняемые при стандартизации;

- вопросы унификации, типизации и агрегатирования средств измерений;

- кодирования и классификации средств измерений;

   По теме сертификация:

- отразить основные положения и порядок проведения работ в области сертификации средств измерений;

- дать характеристику и область применения видам сертификации;

-    дать обзор основных этапов процесса сертификации.

 

Перечень используемых стандартов

ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ

ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов

ГОСТ 2.104-68 ЕСКД. Основные надписи

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам

ГОСТ 2.108-96 ЕСКД. Спецификация

ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению

ГОСТ 2.721-74 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения

ГОСТ 7.12-93 ЕСКД. Библиографическая запись. Сокращения слов на русском языке. Общие требования и правила составления

СТП 12 005-2004 Образовательный стандарт высшего профессионального образования АлтГТУ. Самостоятельная работа студентов. Общие требования

СТП 12 100–02 Образовательный стандарт высшего профессионального образования АлтГТУ. Требования к фонду квалификационных заданий и тестов

СТП 12 310–2004 Образовательный стандарт высшего профессионального образования АлтГТУ. Образовательный стандарт учебной дисциплины. Общие требования к структуре, содержанию и оформлению

СТП 12400-04 Образовательный стандарт высшего профессионального образования АлтГТУ. Курсовой проект (курсовая работа). Требования к содержанию, организации выполнения и оформлению

 

Теория | Справочник | Практикум | Контроль знаний | Об авторах |