(ФГБОУ ВО Чувашский ГАУ)
Направленность (профиль) Электрооборудование и электротехнологии
(<Курс>.<Семестр на курсе>)
Направленность (профиль) Электрооборудование и электротехнологии, одобренный Ученым советом ФГБОУ ВО Чувашский ГАУ от 16.06.2026 г., протокол № 13.
ции
ракт.
подг.
Предмет и задачи измерительной техники. Роль измерений в современном производстве и энергетике.
Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Законодательная метрология.
Физическая величина, размерность, единицы измерения (система СИ). Основные и производные единицы.
Классификация средств измерений: меры, измерительные преобразователи, приборы, установки, системы.
Классификация видов измерений: прямые, косвенные, совокупные, совместные (определения, примеры, формулы расчета).
Методы измерений: метод непосредственной оценки, сравнения (нулевой, дифференциальный), замещения, совпадений.
Погрешности измерений: абсолютная, относительная, приведенная (формулы, физический смысл, расчет).
Классификация погрешностей: систематические, случайные, грубые (промахи) — причины и способы минимизации.
Классы точности средств измерений. Маркировка на шкалах (0,1; 0,5; 1,0; 2,5; 4,0; 6,0) и расшифровка обозначений.
Нормируемые метрологические характеристики: вариация показаний, чувствительность, порог чувствительности, цена деления.
Понятие о поверке и калибровке средств измерений. Государственные поверочные схемы.
Статистическая обработка результатов многократных равноточных измерений: оценка матожидания, СКО, доверительный интервал.
Правила выбора измерительного прибора (по классу точности и пределу измерения). Правило «рабочей части шкалы».
Способы уменьшения погрешностей (компенсация, экранирование, температурная стабилизация).
РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ
Классификация аналоговых электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины и принципу действия.
Общая структурная схема аналогового прибора: измерительная цепь, отсчетное устройство, успокоитель.
Магнитоэлектрическая система: устройство, принцип действия, достоинства и недостатки. Область применения.
Электромагнитная система: устройство (катушка, сердечник, экран), принцип действия. Особенности измерения в цепях постоянного и переменного тока.
Электродинамическая система: устройство неподвижной и подвижной катушек. Принцип действия, достоинства (высокая точность, работа на пост/перем токе), недостатки (слабое поле, чувствительность к внешним полям).
Электростатическая система: устройство, применение для измерения высоких напряжений.
Термоэлектрические (термопреобразователи) и выпрямительные системы: устройство, измерение токов высокой частоты.
Индукционные счетчики электрической энергии: устройство, принцип работы, погрешности, схемы включения (прямое и трансформаторное).
Аналоговые омметры и мегаомметры: схемы, принцип измерения сопротивления.
Шунты и добавочные сопротивления: расчет, применение для расширения пределов измерения (амперметров и вольтметров). Многопредельные приборы.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения: назначение, схемы включения, меры безопасности (не разрывать вторичную обмотку ТТ!).
Самопишущие приборы (регистраторы): осциллографы (электромеханические), потенциометры и мосты. Назначение, принцип записи.
Электронные аналоговые вольтметры (схемы с УПТ, детекторами). Измерение среднеквадратичного, средневыпрямленного и амплитудного значений.
Аналоговые методы измерения мощности в однофазных и трехфазных цепях (метод одного/трех ваттметров, схема Арона).
РАЗДЕЛ 3. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ
Структурная схема цифрового измерительного прибора (ЦПИ). Принцип аналого-цифрового преобразования.
Классификация АЦП: параллельные, последовательного приближения, интегрирующие (двухтактные, с дельта-сигма модуляцией). Достоинства и недостатки типов.
Цифровые вольтметры: схемы, режимы работы, основные метрологические характеристики.
Цифровые частотомеры: структурная схема, принцип измерения частоты и периода сигнала.
Цифровые мультиметры: функции, выбор пределов, автоматический/ручной диапазон, входное сопротивление.
Цифровая регистрация сигналов. Понятие о дискретизации по времени и квантовании по уровню.
Теорема Котельникова (Найквиста) и ее практическое значение для цифровой регистрации (выбор частоты дискретизации).
Погрешности цифровых измерений: погрешность квантования, инструментальная, методическая.
Цифровые осциллографы: отличия от аналоговых, режимы работы (запоминание, стробоскопический, режим X-Y). Понятие о глубине памяти и частоте дискретизации.
Спектральный анализ сигналов: быстрое преобразование Фурье (БПФ) и роль анализатора спектра.
Интерфейсы связи в цифровых приборах: GPIB, RS-232, USB, Ethernet. Понятие о LXI и PXI.
Цифровые регистраторы (логгеры): автономная запись, большие объемы памяти, программное обеспечение для обработки.
Помехозащищенность цифровых измерений: фильтрация, экранирование, синхронное детектирование.
РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ИИС)
Общие принципы измерения неэлектрических величин электрическими методами. Структура измерительного канала (Датчик → Усилитель → АЦП → Индикатор).
Классификация датчиков (сенсоров) по принципу действия и входной величине.
Резистивные датчики: потенциометрические (реостатные) — расчет, линейность, нагрузочная характеристика.
Терморезистивные датчики (термисторы и термосопротивления): металлические (платина, медь) и полупроводниковые (термисторы). Мостовые схемы включения.
Тензорезистивные датчики: эффект тензочувствительности, тензомост, применение для измерения давления, силы, деформации.
Индуктивные и трансформаторные датчики: принцип действия, дифференциальные схемы, применение (перемещения, вибрации).
Емкостные датчики: зависимость емкости от зазора и диэлектрической проницаемости, применение (уровень, влажность, перемещения).
Пьезоэлектрические датчики: прямой и обратный пьезоэффект, применение для измерения вибрации, давления, ускорения (акселерометры).
Магнитоэлектрические (эффект Холла) и магниторезистивные датчики: измерение магнитного поля и тока (токовые клещи).
Оптические датчики: фоторезисторы, фотодиоды, оптопары, волоконно-оптические датчики (измерение температуры, давления).
Понятие об Измерительных Информационных Системах (ИИС). Структура, функции (сбор, обработка, хранение, передача).
Многоканальные ИИС: временное и частотное разделение каналов, коммутаторы сигналов (мультиплексоры).
Системы сбора данных (Data Acquisition Systems — DAQ): архитектура, модульные решения (например, National Instruments, L-Card).
Первичная обработка сигналов в ИИС: усиление, фильтрация, линеаризация характеристик датчиков, компенсация температурных дрейфов.
Аналого-цифровые системы сбора данных: синхронизация, буферизация, работа в реальном времени.
Принципы построения распределенных измерительных систем (промышленные сети: HART, Modbus, Profibus).
Обработка результатов и представление данных: тренды, гистограммы, виртуальные приборы (LabVIEW, Matlab).
Техника безопасности при работе с измерительным оборудованием в промышленных условиях (защита от перенапряжения, категории CAT I-IV).
Темы для рефератов (исследовательские/обзорные):
Эволюция эталонов единиц физических величин: от «метра» до квантовых стандартов.
Государственная система обеспечения единства измерений в РФ: структура, функции, нормативная база (ФЗ-102).
Сравнительный анализ методов измерений: метод непосредственной оценки vs нулевой метод (преимущества и ограничения).
Классы точности средств измерений: история появления, современная маркировка и правила выбора приборов.
Поверка и калибровка средств измерений: отличия, периодичность, документальное оформление.
Статистические методы обработки результатов многократных измерений: применение критерия Стьюдента и правило «трех сигм».
Погрешности измерений в реальных условиях: влияние температуры, влажности, магнитных полей и способы компенсации.
Автоматизация метрологического контроля: программные комплексы для ведения баз данных средств измерений.
Темы для эссе (проблемные/дискуссионные):
«Достаточно ли одного класса точности для оценки качества прибора?» (роль дополнительных метрологических характеристик).
«Цифровизация vs Аналог: почему классическая метрология не устаревает» (роль человеческого фактора в контроле качества).
«Может ли искусственный интеллект заменить государственного поверителя?» — эссе о доверии к алгоритмам.
«Погрешность — это враг или неизбежный спутник прогресса?» (философский взгляд на точность в науке и технике).
РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ
Темы для рефератов (технические/аналитические):
Сравнительный анализ измерительных механизмов: магнитоэлектрический vs электродинамический (точность, мощность потребления, частотные свойства).
Конструкция и расчет шунтов и добавочных сопротивлений для многопредельных амперметров и вольтметров.
Измерительные трансформаторы тока: особенности эксплуатации, схемы включения, защита от разрыва вторичной цепи.
Индукционные счетчики электрической энергии: устройство, принцип работы, типовые погрешности и методы юстировки.
Самопишущие потенциометры и мосты: принцип компенсационного и мостового метода измерения.
Электронные аналоговые вольтметры: схемы детекторов (амплитудный, среднеквадратичный, средневыпрямленный) — сравнительный анализ.
Измерение мощности в трехфазных цепях: метод двух ваттметров и схема Арона (условия применимости, расчет).
Термоэлектрические и выпрямительные системы: измерение токов промышленной и высокой частоты.
Регистрация переходных процессов с помощью шлейфовых и лучковых осциллографов: принцип записи, расшифровка осциллограмм.
Темы для эссе (аналитические/проблемные):
«Почему аналоговые стрелочные приборы до сих пор используются в распределительных щитах, а не только на стендах в вузе?»
«Электродинамический ваттметр: точность, которой мешают внешние поля» — эссе о методах борьбы с помехами.
«Один разорванный провод во вторичной цепи ТТ — цена человеческой жизни» — эссе о культуре безопасности при измерениях.
«Аналоговая регистрация: уходящая натура или единственный способ увидеть реальную форму сигнала без ЦАП?»
РАЗДЕЛ 3. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ. ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ И АНАЛИЗ СИГНАЛОВ
Темы для рефератов (исследовательские/технические):
Архитектура и принципы работы АЦП: сравнение методов (последовательного приближения, дельта-сигма, параллельный).
Цифровые мультиметры: эволюция от 3,5 до 8,5 разрядов. Что скрывается за словом «True RMS»?
Теорема Котельникова на практике: выбор частоты дискретизации и последствия ее нарушения (алиасинг).
Цифровые запоминающие осциллографы (DSO): структура, режимы работы (run/stop, сегментная память, режим X-Y).
Анализаторы спектра: методы БПФ и гетеродинные анализаторы — различия, области применения.
Современные интерфейсы измерительного оборудования: LXI, PXI, USB — архитектура, пропускная способность, синхронизация.
Программное управление измерениями: знакомство со средами LabVIEW или Matlab для обработки сигналов.
Цифровая фильтрация сигналов: FIR и IIR фильтры — принципы работы и влияние на результаты измерений.
Автономные регистраторы данных (логгеры): выбор объема памяти, энергопотребление и программная обработка архивов.
Темы для эссе (дискуссионные/прогностические):
«Цифровой осциллограф убил искусство "читать" аналоговый сигнал: прогресс или деградация инженера?»
«Если у двух мультиметров одинаковый класс точности, но цена отличается в 10 раз — в чем подвох?» (о качестве АЦП и схемотехнике).
«Алиасинг — это проклятие или особенность, которую нужно уметь обходить?» (анализ практической важности).
«Может ли смартфон с внешним модулем заменить профессиональный осциллограф?» (границы применения мобильных решений).
«Спектральный анализ сигнала: стоит ли доверять "красным линиям" на экране, если не знаешь алгоритма БПФ?»
РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ИИС)
Темы для рефератов (прикладные/междисциплинарные):
Классификация датчиков: активные vs пассивные, генераторные vs параметрические — выбор под задачу.
Тензорезистивные датчики: физические основы, тензомост Уитстона, компенсация температурного дрейфа.
Термосопротивления и термопары: нелинейность характеристик, схемы подключения, холодный спай.
Индуктивные и трансформаторные датчики перемещений: дифференциальный принцип, линейность и разрешающая способность.
Пьезоэлектрические акселерометры: конструкция, выбор по частоте, интегральные усилители заряда.
Датчики Холла и магниторезисторы: измерение тока (токовые клещи), положения ротора в BLDC-двигателях.
Оптоволоконные датчики (распределенные и точечные): принцип рефлектометрии, измерение температуры и деформации.
Структура измерительных информационных систем (ИИС): датчики → нормирующие преобразователи → коммутаторы → АЦП → ПК.
Многоканальные системы сбора данных (DAQ): временное и частотное мультиплексирование, помехозащищенность.
Промышленные сети для ИИС: сравнение Modbus, Profibus, HART по скорости, дальности и надежности.
Виртуальные приборы на базе ПК: обзор программных оболочек (LabVIEW, Simulink, Python PyVISA).
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) измерительных систем: экранирование, заземление, гальваническая развязка.
Темы для эссе (проблемные/инновационные):
«Датчик + Интернет: от умного дома до цифрового двойника производства — эволюция ИИС».
«Точность измерения температуры термопарой: почему это до сих пор искусство, а не просто оцифровка милливольт?» (о холодном спае и переходных сопротивлениях).
«Беспроводные датчики в промышленности: удобство или риск потери данных в решающий момент?»
«Где заканчивается измерительная система и начинается искусственный интеллект?» (предиктивная аналитика на основе данных датчиков).
«Можно ли построить ИИС на Arduino и доверить ей безопасность атомной станции?» (о критериях надежности и сертификации).
«Тренд на миниатюризацию: как наномасштабные датчики изменят диагностику оборудования».
«Измерение вибрации: что важнее — поставить дорогой датчик или правильно его закрепить на объекте?» (эссе о методической погрешности).
«Цифровой двойник электростанции: сколько датчиков нужно и где их разместить, чтобы получить достоверную картину?»
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ / МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ТЕМЫ (сквозные)
Исторический обзор: От гальванометра до нано-вольтметра — 200 лет электрических измерений.
Экономика измерений: Как погрешность прибора влияет на финансовые потери в промышленности.
Этические аспекты: Фальсификация данных измерений — цена ошибки (на примерах аварий и расследований).
Кибербезопасность ИИС: Защита измерительных сетей от несанкционированного доступа и подмены данных.
Энергоэффективные измерения: Разработка малопотребляющих сенсорных сетей для удаленных объектов.
Система знаний по дисциплине формируется в ходе аудиторных и внеаудиторных (самостоятельных) занятий. Используя лекционный материал, учебники и учебные пособия, дополнительную литературу, проявляя творческий подход, студент готовится к занятиям, рассматривая их как пополнение, углубление, систематизацию своих теоретических знаний.
Для освоения дисциплины студентами необходимо:
1. Посещать лекции, на которых в сжатом и системном виде излагаются основы дисциплины: даются определения понятий, которые должны знать студенты. Студенту важно понять, что лекция есть своеобразная творческая форма самостоятельной работы. Надо пытаться стать активным соучастником лекции: думать, сравнивать известное с вновь получаемыми знаниями, войти в логику изложения материала лектором, следить за ходом его мыслей, за его аргументацией, находить в ней кажущиеся вам слабости. Во время лекции можно задать лектору вопрос, желательно в письменной форме, чтобы не мешать и не нарушать логики проведения лекции. Слушая лекцию, следует зафиксировать основные идеи, положения, обобщения, выводы. Работа над записью лекции завершается дома. На свежую голову (пока еще лекция в памяти) надо уточнить то, что записано, обогатить запись тем, что не удалось зафиксировать в ходе лекции, записать в виде вопросов то, что надо прояснить, до конца понять. Важно соотнести материал лекции с темой учебной программы и установить, какие ее вопросы нашли освещение в прослушанной лекции. Тогда полезно обращаться и к учебнику. Лекция и учебник не заменяют, а дополняют друг друга.
2. Посещать лабораторные занятия, к которым следует готовиться и активно на них работать. Задание к лабораторному занятию выдает преподаватель. Задание включает в себя основные вопросы, тесты и рефераты для самостоятельной работы, литературу. Лабораторные занятия начинаются с вступительного слова преподавателя, в котором называются цель, задачи и вопросы занятия. В процессе проведения занятий преподаватель задает основные и дополнительные вопросы, организует их обсуждение. На лабораторных занятиях разбираются тестовые задания и задания, выданные для самостоятельной работы, ставятся практические опыты. Студенты, пропустившие занятие, или не подготовившиеся к нему, приглашаются на консультацию к преподавателю. Лабораторное занятие заканчивается подведением итогов: выводами по теме и выставлением оценок.
3. Систематически заниматься самостоятельной работой, которая включает в себя изучение нормативных документов, материалов учебников и статей из научной литературы, написание докладов, рефератов. Задания для самостоятельной работы выдаются преподавателем.
4. Под руководством преподавателя заниматься научно-исследовательской работой, что предполагает выступления с докладами на научно-практических конференциях и публикацию тезисов и статей по их результатам.
5. При возникающих затруднениях при освоении дисциплины, для неуспевающих студентов и студентов, не посещающих занятия, проводятся консультации, на которые приглашаются неуспевающие студенты, а также студенты, испытывающие потребность в помощи преподавателя при изучении дисциплины.
в 20___ /20___ учебном году
в 20___ /20___ учебном году
в 20___ /20___ учебном году
в 20___ /20___ учебном году
в 20___ /20___ учебном году
в 20___ /20___ учебном году