Метрология, стандартизация и сертификация Раздел 1. Основы метрологии Тема 1.1. Основные термины и понятия метрологии. Задачи метрологии в технической эксплуатации авиационных систем и комплексов. Лекция 1 (2 часа) Направление подготовки 25.03.02 – Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов. Кафедра технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта (ТЭРЭО ВТ) Д.И.Менделев: «Наука начинается с тех пор как начинают измерять, точная наука не мыслима без меры» Направление подготовки 25.03.02 – Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов. Высшая математика Физика Электрорадиоизмерения Метрология, стандартизация и сертификация Дисциплины, для которых является предшествующей: данная дисциплина Основы теории технической эксплуатации АЭС и ПНК Техническое обслуживание и ремонт авиационных электросистем и авионики самолетов Техническое обслуживание и ремонт авиационных электросистем и авионики вертолетов Производственная 1. Технологическая практика Учебная литература по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» а) основная литература: 1. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. С-Пб: Питер, 2010, 465 с. 2. Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» в редакции от 2005 г. 3. Закон РФ «О техническом регулировании» с изменениями от 1 мая 2009 г. 4. Закон РФ «О стандартизации в Российской Федерации» от 29 июня 2015 г. б) дополнительная литература: 1. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Общая метрология. М.: Изд. Стандартов, 2001, 272 с. 2. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация. М.: Логос, 2001г, 750 с. 3. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрология. М.: ЮНИТИ, 2001, 711 с. 4. Логвин А.И. Метрология, стандартизация и сертификация. М.: МГТУ ГА, 2005г., 60 с. в) для лабораторных работ и практических заданий: 1. Логвин А.И., Епифанцева Д.А. Пособие по проведению практических занятий по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» для всех специальностей всех форм обучения. М.: МГТУ ГА 2006 г. В условиях рыночной экономики и изготовитель и потребитель заинтересованы в продукции и услугах высокого качества. Основными инструментами обеспечения качества, и как следствие безопасности и конкурентоспособности продукции и услуг являются метрология, стандартизация и сертификация. Они так же обеспечивают укрепление международных и региональных связей, развитии науки, техники и технологий. Метрология обеспечивает, с помощью средств измерений (измерительных приборов), единство и требуемую точность измерений. Стандартизация обеспечивает взаимозаменяемость и единые нормативные акты для всех участников технологического процесса. Сертификация подтверждает качество продукции, т.е. соответствие продукции определенным требованиям. Основные термины и понятия метрологии. Задачи метрологии в технической эксплуатации авиационных систем и комплексов ОСНОНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ Метроло́гия (от греч. μέτρον – мера (измерительный инструмент) + др.-греч. λόγος – учение) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предмет метрологии – измерения, их единство и точность. Цель метрологии – получение с помощью средств измерения (СИ) количественной информации о физических свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии – совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование. Задачи метрологии: 1. Обеспечение единства измерений 2. Установление единиц физических величин 3. Обеспечение единообразия средств измерений 4. Установление национальных (государственных) эталонов и рабочих средств измерений, контроля и испытаний средств измерений 5. Разработка оптимальных принципов, приемов и способов обработки результатов измерения и методов оценки погрешностей ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ Метрология состоит из 3 разделов: 1. Теоретическая метрология. Рассматривает общие теоретические проблемы метрологии (разработка теории и проблем измерений физических величин, методов измерений и т.д.). 2. Прикладная метрология. Изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения и средства измерений (СИ). 3. Законодательная метрология. Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений. Аксиомы метрологии: • Любое измерение есть сравнение; • Любое измерение без априорной (заранее известной) информации невозможно; • Результат любого измерения без округления значения является случайной величиной. ОСНОНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ Физическая величина – это свойство физического объекта (или явления), общее в качественном отношении для многих физических объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1 (единице). Истинное значение физической величины – это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта Действительное значение физической величины – это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Виды шкал измерений Шкалой измерений называется принятая по соглашению последовательность значений одноименных величин различного размера. В метрологии шкала измерений является средством адекватного сопоставления и определения численных значений отдельных свойств и качеств различных объектов. Практически используют пять видов шкал: 1. шкалу наименований; 2. шкалу порядка; 3. шкалу интервалов; 4. шкалу отношений; 5. шкалу абсолютных значений. Виды шкал измерений Шкала физической величины – упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая основой для измерения данной величины. Основное уравнение измерения Измерение – это сравнение измеряемой величины с мерой (эталоном). Классификация измерений 1. По числу измерений (по количеству измерительной информации) – однократные и многократные. 2. По способу получения результата (информации) измерений – прямые и косвенные, совокупные, совместные. 3. По используемым размерам единиц (по отношению к основным единицам измерения) – абсолютные и относительные. 4. По характеру изменения измеряемой величины (получаемой информации) – статические, динамические, статистические. 5. По применению – высшей поверочные, технические. точности, контрольно- Классификация измерений 1. По числу измерений (по количеству измерительной информации) – однократные и многократные. Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз. Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. Классификация измерений 2. По способу получения результата (информации) измерений – прямые и косвенные, совокупные, совместные. Прямое измерение – такое измерение, при котором значение физической величины находят непосредственно из опытных данных, например измерение электрического тока с помощью амперметра. R А U I=? Косвенное измерение – такое, при котором искомое значение физической величины Y находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами Х1, Х2,…, Хп, подвергаемыми прямым измерениям. В результате измерения искомая величина находится путем расчета по формуле Y = f(Х1 Х2, ..., Хп). Например, при измерении мощности с помощью амперметра и вольтметра ток I и напряжение U измеряют прямым методом, а мощность Р вычисляют по формуле Р=IU. U=? U R V I=U/R Совокупными измерениями называют измерения, нескольких одноименных величин, производимые одновременно, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, измерения, при которых значения сопротивлений отдельных резисторов набора находят по известному сопротивлению одного из них и по результатам прямых сравнений сопротивлений различных сочетаний резисторов . 11 Совместными измерениями называют производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Например, сопротивление при температуре 200С и температурные коэффициенты измерительного резистора находят по данным прямых измерений его сопротивления при различных температурах. R=? Ω t=? 12 Классификация измерений 3. По используемым размерам единиц (по отношению к основным единицам измерения) – абсолютные и относительные. 1. Абсолютное - это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, измерение силы тока в амперах (кратных или дольных единицах ампера). 2. Относительное - это измерение отношения физической величины к одноименной, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (эталон). Например, измерение коэффициента передачи четырехполюсника на разных частотах по отношению к максимальному значению этого коэффициента на некоторой частоте. Классификация измерений 4. По характеру изменения измеряемой величины (получаемой информации) – статические, динамические, статистические. • статические – измеряемая величина остается постоянной во времени; • динамические – величина изменяется во времени. • статистические – связаны с определением характеристик случайных процессов (уровня шумов и т. д.) Классификация измерений 5. По применению – поверочные, технические. высшей точности, контрольно- а) измерения высшей точности, выполняемые при исследовании эталонов и определении фундаментальных физических констант; б) контрольно-поверочные измерения, выполняемые при государственной и ведомственной поверке средств измерений; в) технические измерения на производстве (при эксплуатации РЭО ГА). Принцип измерений Принцип измерений – физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Примеры: Применение эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения. Применение эффекта Пельтье для измерения поглощенной энергии ионизирующих излучений. Применение эффекта Доплера для измерения скорости. Использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием. Техническая сторона основного принципа измерения – несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются, становятся все более и более сложными, метрологическая суть принципа измерения остается без изменения и сводится к уравнению измерения. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ (СИ) Средства измерений (СИ) – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики (т.е. характеристики, влияющие на результаты измерений). Измерение СИ – это экспериментальное нахождение значения физической величины с помощью средств измерений (СИ). Метод измерения – это определение численных значений результатов измерений с помощью средств измерения. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ 1 Непосредственной оценки 2 Метод сравнения с мерой Нулевой метод Метод замещения Дифференциальный метод МЕТОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ МЕТОД НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ предполагает, что численное значение измеряемой величины определяют непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения вольтметром) Измеряемая величина Средство измерения Результат измерений МЕТОД СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ МЕТОД СРАВНЕНИЯ С МЕРОЙ – метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Мера Измеряемая величина Устройство сравнения Измерительный прибор 3 рановидности метода сравнения (см. выше): • Нулевой метод • Дифференциальный метод • Метод замещения Результат измерений Нулевой метод – действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой. Дифференциальный - измеряют разницу между измеряемой величиной и близкой по значению эталонной Метод замещения – действие измеряемой величины замещают образцовой Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени. Метрологическими характеристиками средств измерений называются характеристики свойств средств измерений, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений. 1. Класс точности 2. Диапазон измерений 3. Чувствительность 4. Вариация показаний 5. Время установления показаний Полная динамическая характеристика характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относятся: - передаточная функция; - переходная характеристика; - импульсная переходная характеристика; - совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик. Классификация средств измерений По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений По отношению к измеряемой физической величине По реализации процедуры измерения средства метрологические основные элементарные рабочие вспомогательные комплексные Классификация средств измерений Метрологические, предназначенные для обеспечения метрологических целей — воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений; Рабочие, применяемые для измерений, связанных с передачей размера единиц. не Классификация средств измерений Основные — средства измерений той величины, значение которой надо получить в соответствии с измерительной задачей; Вспомогательные — средства измерений той величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Классификация измерительных приборов 1. По форме индикации измеряемой величины Показывающий измерительный прибор предназначен только для считывания показаний, например вольтметр, амперметр. Регистрирующий измерительный прибор — прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний измеряемой величины, например универсальный осциллограф. Самопишущий измерительный прибор — регистрирующий прибор, в котором возможна запись показаний в форме диаграммы. Классификация измерительных приборов 2. По методу преобразования измеряемой величины Измерительные приборы прямого действия, в которых предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении. Измерительные приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной. Интегрирующие измерительные приборы, в которых исследуемая величина интегрируется по времени или по другой независимой переменной. 3. По назначению: амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры и т. д. 4. По принципу действия: электромеханические и электронные. Система величин – согласованная совокупность величин и уравнений связи между ними, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины условно принимают за независимые, а другие определяют, как функции независимых величин. Система ФВ Физические величины Уравнения связи между ФВ 1.40 Виды физических величин (система единиц физических величин) это совокупность единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин. Система единиц ФВ Основные единицы ФВ Производные единицы ФВ Дополнительные единицы ФВ В 1960 году Международным комитетом по мерам и весам была разработана Международная система единиц физических величин, которая получила сокращенное наименование SI (начальные буквы французского наименования системы Sistem International). По-русски наименование системы обозначается СИ. (и произносится «си», без добавления слова «система» (слово «система» входит в само сокращенное наименование в виде буквы С), например, «единица СИ»). Международная система единиц охватывает все области науки, техники, народного хозяйства и исключает разнообразие в единицах для одноименных величин. В нашей стране Международная система единиц СИ была введена в 1963 году. Соответствующие стандарты устанавливает обязательное применение единиц СИ во всей нормативно-технической документации и публикациях, в учебном процессе во всех учебных заведениях. Международная система СИ имеет ряд достоинств: 1. Универсальность. Система СИ является всеобъемлющей и охватывает все отрасли науки, техники и производства. 2. Унификация единиц для всех видов измерений. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и четкая система образования кратных и дольных единиц от нее. 3. Когерентность (связность), согласованность) системы. Все производные единицы образуются из основных путем умножения или деления без введения числовых коэффициентов. 4. Широкое распространение и преемственность. Многие единицы этой системы, например, метр, килограмм, секунда, вольт, ампер и т.д., с давних пор широко распространяются в науке и технике. 5. Удобство. Выбраны удобные для практического применения основные и производные единицы, что упрощает запись уровней и формул в различных областях науки и техники. 6. Точность. Высокая точность воспроизведения единиц обусловлена тем, что в основу эталонов единиц положены физические явления, отличающиеся высоким постоянством и позволяющие восстановить меру в случае ее утраты. Международная система СИ построена на семи основных, двух дополнительных и производных единицах Основные единицы СИ условно приняты в качестве независимых от других величин этой системы единица длины (L) – метр (м); единица массы (M) – килограмм (кг); единица времени (T) – секунда (с); единица силы электрического тока (I) – ампер (А); единица термодинамической температуры (Θ) – кельвин (К); единица силы света (J) – кандела (кд); единица количества вещества (N) – моль (моль). В 2019 году вступили в силу изменения определений основных единиц Международной системы единиц (СИ), состоящие в том, что основные единицы СИ стали определяться через фиксированные значения фундаментальных физических постоянных. Метр - длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды (содержательно не изменилось). Секунда - время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (содержательно не изменилось). Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540· 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. (Определение канделы содержательно не изменилось, не считая того, что оно связано с другими единицами, а их определения изменились.) Килограмм Кельвин Моль Ампер КИЛОГРАММ Старое определение принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». Новое определение: 1 килограмм равен постоянной Планка, поделенной на 6,626070040 × 10−34 м2·с−1. Для выражения единицы требуется постоянная Планка. Международный прототип килограмма (цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия)). КЕЛЬВИН Старое определение: 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём. Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10−23джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана. МОЛЬ Старое определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 1023специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро). Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998 для расчёта числа Авогадро. АМПЕР Современное определение: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона». Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10−19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона. для определения Ампера понадобится только один инструмент — одноэлектронный насос, основанный на углеродной нанотрубке. Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования (определяются через основные величины этой системы) Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Размерность физической величины Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Размерности основных физических величин определяются в соответствии с системой СИ, а для определения размерности производных величин необходимо учитывать следующие правила: 1. Размерность левой и правой частей уравнений не могут не совпадать; 2. Алгебра размерностей состоит только из одного единственного действия – умножения. Кратные и дольные единицы Кратная единица – единица физической величины, в целое число раз большая системной (входящая в СИ) или внесистемной единицы. Дольная единица – единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы. Эталоны, как средство измерения Все вопросы, связанные с хранением, применением и созданием эталонов, а также контроль за их состоянием, решаются по единым правилам, установленным ГОСТами: «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные положения» «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки и утверждения, регистрации, хранения и применения». Классифицируются эталоны по принципу подчиненности. По этому параметру эталоны бывают первичные и вторичные. Первичный эталон должен служить целям обеспечения воспроизведения, хранения единицы и передачи размеров с максимальной точностью, которую можно получить в данной сфере измерений. В свою очередь, первичные могут быть специальными первичными эталонами, которые предназначены для воспроизведения единицы в условиях, когда непосредственная передача размера единицы с необходимой достоверностью практически не может быть осуществлена, например, для малых и больших напряжений, СВЧ и ВЧ. Их утверждают в виде государственных эталонов. Поскольку налицо особая значимость государственных эталонов, на любой государственный эталон утверждается ГОСТом. Другой задачей этого утверждения становится придание данным эталонам силы закона. На Государственный комитет по стандартам возложена обязанность создавать, утверждать, хранить и применять государственные эталоны. Вторичный эталон воспроизводит единицу при особенных условиях, заменяя при этих условиях первичный эталон. Он создается и утверждается для целей обеспечения минимального износа государственного эталона. Вторичные эталоны могут делиться по признаку назначения: 1) эталоны-копии, предназначенные для передачи размеров единиц рабочим эталонам; 2) эталоны-сравнения, предназначенных для проверки невредимости государственного эталона, а также для целей его заменяя при условии его порчи или утраты; 3) эталоны-свидетели, предназначенные для сличения эталонов, которые по ряду различных причин не подлежат непосредственному сличению друг с другом; 4) рабочие эталоны, которые воспроизводят единицу от вторичных эталонов и служат для передачи размера эталону более низкого разряда. Вторичные эталоны создают, утверждают, хранят и применяют министерства и ведомства.