Физические величины, методы и средства их измерений в авиастроении. (Лекция 1)

1.

Иркутский филиал
Московского государственного технического
университета гражданской авиации
Авиационный комплекс имени С. В. Ильюшина —Открытое акционерное
общество «Авиационный комплекс имени С. В. Ильюшина» находится в
Москве (бывший завод № 240). За 75 лет конструкторским бюро разработано
более 120 типов летательных аппаратов различного назначения. На
серийных заводах построено более 60000 самолетов

2.

Дальние магистральные самолеты
Ил-18 положил начало массовому авиаэкспорту.
Ил-96-300 применены
новейшие
конструкторские решения

3.

Грузовые самолеты
Ил-76 – средний
транспортный самолет
Ил-96-400Т – транспортный самолет
большой грузоподъемности
Ил-112Т- легкий
транспортный
самолёт

4.

Региональные самолеты
Ил-114 пассажирский
самолет региональных
авиалиний с
отечественными
двигателями
Самолеты деловой авиации
Ил-103 легкий
многоцелевой самолет

5.

Введение
Тема №1 Физические величины, методы и
средства их измерений
Лекция 1 (2 часа)
Изучаемые вопросы:
ВВЕДЕНИЕ
Цель, задачи, предмет и основное содержание дисциплины, ее
роль и место в системе подготовки авиационных инженеров
ТЕМА 1. Физические величины, методы и средства их
измерений
1.1. Основные понятия и определения метрологии и
квалиметрии
1.2. Физические величины и шкалы измерений
1.3. Международная система единиц SI
1.4. Физические основы измерений и контроля качества
Лектор – к.ф.м.н., доцент Кобзарь В.А.

6. Литература

Основная литература
1
А.Г. Сергеев, М.В.
Латышев, В.В.
Терегеря
Метрология, стандартизация,
сертификация.
2
А.С. Сигов, В.И.
Нефедов
Метрология, стандартизация и
технические измерения
– М.:
ЛОГОС,
2001.
М.: Высшая
школа,
2008.
50
90%
30
30%

7. В.1. Цель, задачи, предмет и основное содержание дисциплины, ее роль и место в системе подготовки авиационных инженеров

Получить знания по: теоретическим основам метрологии, теории погрешностей,
стандартизации и управлению качеством;
изучить: единицы, эталоны, размерности, технические средства измерений
Лекции (22 ч.)
Практические
занятия (16 ч.)
Самостоятельная
работа (90 ч.)
Экзамен
Контроль усвоения учебного материала
Текущий контроль
(летучки перед
Л и ЛР)
Защита
Лабораторных работ
(практика, теория)
Интернет
тестирование
Экзамен
Олимпиада по
Метрологии

8.

Требования ГОС к обязательному минимуму
содержания основной образовательной программы
Индек
с
Дисциплина и ее основные разделы
Всего
часов
ОПД.
Ф
Федеральный компонент
–
ОПД.
Ф.05
Метрология, стандартизация и сертификация :
Теоретические основы метрологии. Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство,
величина, количественные и качественные проявления свойств объектов материального мира. Основные
понятия, связанные со средствами измерений (СИ). Закономерности формирования результата измерения,
понятие погрешности, источники погрешностей. Понятие многократного измерения. Алгоритмы
обработки многократных измерений. Понятие метрологического обеспечения. Организационные, научные
и методические основы метрологического обеспечения. Правовые основы обеспечения единства
измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Структура и функции
метрологической службы предприятия, организации, учреждения, являющихся юридическими лицами.
Исторические основы развития стандартизации и сертификации. Сертификация, ее роль в повышении
качества продукции и развитие на международном, региональном и национальном уровнях. Правовые
основы стандартизации. Международная организация по стандартизации (ИСО). Основные положения
государственной системы стандартизации ГСС. Научная база стандартизации. Определение оптимального
уровня унификации и стандартизации. Государственный контроль и надзор за соблюдением требований
государственных стандартов. Основные цели и объекты сертификации. Термины и определения в области
сертификации Качество продукции и защита потребителя. Схемы и системы сертификации. Условия
осуществления сертификации. Обязательная и добровольная сертификация. Правила и порядок
проведения сертификации. Органы по сертификации и испытательные лаборатории. Аккредитация
органов по сертификации и испытательных (измерительных) лабораторий. Сертификация услуг.
Сертификация систем качества. Взаимозаменяемость - точность деталей узлов и механизмов. Ряды
значений геометрических параметров. Виды сопряжений в технике. Отклонения, допуски и посадки.
Расчет и выбор посадок. Расчет и выбор посадок. Единая система нормирования и стандартизации
показателей точности. Размерные цепи и методы их расчета. Расчет точности кинематических цепей.
Нормирование микронеровностей поверхностей деталей. Контроль геометрической и кинематической
точности деталей, узлов и механизмов.
150

9.

N ДЕ
1
2
3
4
5
6
Дидактической единицы
N
Физические
величины, методы и
средства их
измерений
1
Физические величины и шкалы измерений
2
Международная система единиц SI
3
Виды и методы измерений
4
Общие сведения о средствах измерений (СИ)
Погрешности
измерений, обработка
результатов, выбор
средств измерений
5
Погрешности измерений, их классификация
6
Обработка результатов однократных измерений
7
Обработка результатов многократных измерений
8
Выбор средств измерений по точности
9
Организационные основы ОЕИ
10
Научно-методические и правовые основы ОЕИ
11
Технические основы ОЕИ
12
Государственный метрологический контроль и надзор
13
Стандартизация в Российской Федерации
14
Основные принципы и теоретическая база стандартизации
15
Методы стандартизации
16
Международная и межгосударственная стандартизация
17
Правовые основы сертификации
18
Системы и схемы сертификации
19
Этапы сертификации
20
Органы по сертификации и их аккредитация
21
Единая система допусков и посадок (ЕСДП)
22
Допуски формы и расположения поверхностей
23
Шероховатость поверхностей
24
Посадки в типовых соединениях
25
Выбор методов и средств измерений для контроля параметров деталей машин
26
Размерные цепи
27
Цилиндрические зубчатые передачи
Основы обеспечения
единства измерений
(ОЕИ)
Стандартизация
Сертификация
Взаимозаменяемость
Тема задания

10. В.2. Исторические основы и перспективные направления развития метрологии, стандартизации и сертификации

«В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как
начинают измерять, точная наука немыслима без меры».
Д. И. Менделеев
Метрология (от греческих слов «метрон» - мера, «логос» - учение)
Этапы метрологической службы в России:
издан закон о мерах и весах (1842 г.), «Депо образцовых мер»
М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман сконструировали первый в мире
электроизмерительный прибор - указатель электрической силы (в
40-х годах XVIII века);
основание Д. И. Менделеевым - Главной палаты мер и весов
(1893г.),
А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и М.О. Доливо-Добровольский,
предложивший электромагнитные и ряд других приборов (вторая
половина XIX века);
академик М.В. Шулейкин организовал первую заводскую
лабораторию по производству радиоизмерительных приборов
(1913 г.),
академик Л.И, Мандельштам создал прототип современного
электронного осциллографа (начало XX в)

11. 1.1. Основные понятия и определения метрологии и квалиметрии

Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения
требуемой точности.
1.
2.
3.
4.
5.
Основные задачи, решаемые метрологией
В области общей теории измерений
В области единиц физических величин
В области создания средств измерений
В области обеспечения единства измерений
В области обеспечения единообразия средств измерений
Предметом изучения метрологии является процесс получения
количественной и качественной информации о свойствах физических
объектов и технологических процессов.
Как наука метрология выступает в трех аспектах:
философском - исследуются вопросы познаваемости материального
мира;
научно-техническом - исследуются вопросы решения научных и
технических задач, обеспечивающих создание совершенных
эталонов, средств и методов измерений, методов оценки точности
измерений и т. д.;
законодательном - исследуются вопросы создания научно обоснованных,
регламентированных государством общих правил, требований и
норм, обеспечивающих высокий уровень измерительного дела в
стране

12.

Совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность
удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением,
называют качеством.
Достигнуть высокого уровня качества можно лишь при условии проведения
системы научных, технических и организационных мероприятий по
управлению качеством продукции на всех стадиях ее жизненного цикла.
Чтобы управлять качеством - необходимо уметь это качество оценить, а в
идеальном случае — измерить.
Квалиметрия изучает вопросы оценивания качества. Качество не является
физической величиной и не может быть измерено, поскольку не существует
узаконенной меры этого свойства. Тем не менее в квалиметрии получены
практические рекомендации по оцениванию качества, в том числе и
количественному.
Определить или измерить одну величину можно лишь сравнив ее с другой,
известной величиной, принятой за единицу сравнения — меру. В метрологии
такими мерами являются единицы физических величин. Аналогом
физических величин в квалиметрии служат показатели качества.
Понятия «физическая величина» и «показатель качества» близки, но не
тождественны. Физическая величина отражает объективные свойства
природы, а показатель качества — общественную потребность в конкретных
условиях. Так, масса — физическая величина, а масса изделия - показатель
его транспортабельности: освещенность — физическая величина, а
освещенность на рабочем месте — эргономический показатель.

13. Основные понятия, связанные с объектами измерения: свойство, величина, количественные и качественные проявления свойств

объектов материального мира
Свойство — философская (качественная) категория, выражающая такую
сторону объекта (явления, процесса), которая обусловливает его различие
или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и
обнаруживается в его отношениях к ним
Величина — это свойство чего-либо, что может быть выделено среди
других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и
количественно
Физическая величина это одно из
свойств физического объекта, в
качественном отношении общее для
многих физических объектов, а в
количественном — индивидуальное
для каждого из них (измеренное
свойство объекта). Измеряемые ФВ
выражают количественно,
оцениваемые - оценивают при
помощи шкал. Шкала величины —
упорядоченная последовательность ее
значений, принятая по соглашению на
основании результатов точных
измерений.

14. 1.2. Физические величины и шкалы измерений 1.2.1 Классификация физических величин [1], стр. 3-6

Q q Q
Основное уравнение измерения
Значение физической величины Q есть произведение
числового значение физической величины q на
единицу физической величины [Q]

15. 1.2.2. Шкалы измерений [1], стр.6-10

Шкала физической величины — это упорядоченная
последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на
основании результатов точных измерений [1], стр.6-10
Шкалы наименований (шкалы классификации). Такие шкалы используются
для измерений качественных признаков, классификации эмпирических
объектов, свойства которых проявляются только в отношении
эквивалентности (Атласы цветов, названия государств, марки автомобилей
и т.п.)
Такие признаки удовлетворяют аксиомам тождества:
Либо А = В, либо А ≠ В;
Если А = В, то В = А;
Если А = В и В = С, то А = С.
С величинами, измеряемыми в шкале наименований, можно выполнять
только одну операцию - проверку их совпадения или несовпадения.
Шкалы порядка (шкалы рангов). Если свойство данного эмпирического
объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по
возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для
него может быть построена шкала порядка – характеризуют значение
измеряемой величины в баллах (Шкала силы морского ветра, 10 бальная
шкала Мооса (шкала твердости), шкала силы землетрясения)

16.

Шкалы интервалов (шкалы разностей). Эти шкалы применяются
для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям
эквивалентности, порядка и аддитивности (сложения)- (шкала
Цельсия, шкала интервалов времени). Например - Интервалы
времени можно складывать и вычитать – даты бессмысленно.
Шкалы отношений. Эти шкалы имеют естественное нулевое
значение, а единицы измерения устанавливаются по согласованию.
Описывают свойства эмпирических объектов, которые
удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и
аддитивности (шкалы второго рода — аддитивные), а в ряде случаев
и пропорциональности (шкалы первого рода — пропорциональные).
Шкалы большинства физических величин (длина, масса, сила,
давление, скорость и др.), температурная шкала Кельвина являются
шкалами отношений.
Абсолютные шкалы. Под абсолютными понимают шкалы,
обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно
имеющие естественное однозначное определение единицы измерения
и не зависящие от принятой системы единиц измерения. При
измерениях напрямую измеряется величина чего-либо (Например,
непосредственно подсчитывается число дефектов в изделии,
количество единиц произведенной продукции, сколько студентов
присутствует на лекции, количество прожитых лет и т.д.
Шкалы интервалов, отношений и абсолютных величин

17. 1.3. Системы физических величин и их единицы. А. Количественное описание свойства физического объекта

Количественное описание свойств физического объекта осуществляется при помощи
метрологических понятий размера и значения.
Размер физической величины — это количественное содержание в данном объекте
свойства, соответствующего понятию "физическая величина".
Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления
в соответствии с основным уравнением измерения Q q Q , связывающим между
собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q].
Важной характеристикой ФВ является ее размерность dim Q — выражение в
форме степенного многочлена, отражающее связь данной величины с основными ФВ
где L, М, Т, I— условные обозначения основных
величин данной системы; α,β,γ,η— показатели
размерности (если показатели =0 – ФВ безразмерная)
dim Q L M T I
Размерность ФВ - более общая характеристика, чем представляющее ее уравнение
связи (Например: работа силы F на расстоянии L описывается уравнением А1 = FL.
Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна А2 = mv2/2.
Размерности (джоуль) этих качественно различных величин одинаковы.
Над размерностями можно производить действия умножения, деления, возведения в
степень и извлечение корня. Понятие размерности широко используется:
• для перевода единиц из одной системы в другую;
• для проверки правильности сложных расчетных формул, полученных в результате
теоретического вывода;
• при выяснении зависимости между величинами;
• в теории физического подобия.

18.

Описание свойства, характеризуемого данной ФВ, осуществляется на языке
других, ранее определенных величин. Эта возможность обусловливается
наличием объективно существующих взаимосвязей между свойствами
объектов, которые, будучи переведенными на язык величин, становятся
моделями, образующими в совокупности систему уравнений
Различают два типа таких уравнений:
Уравнения связи между величинами — уравнения, отражающие законы
природы, в которых под буквенными символами понимаются ФВ. Они
могут быть записаны в виде, не зависящем от набора единиц измерений
входящих в них ФВ.
g
Q KX aY b Z ...
Например, площадь треугольника S равна половине произведения
основания L на высоту h: S= 0,5 Lh. Коэффициент К= 0,5 появился в связи
с выбором не единиц измерений, а формы самих фигур.
Уравнения связи между числовыми значениями физических величин —
уравнения, в которых под буквенными символами понимают числовые
значения величин, соответствующие выбранным единицам.
g
Q K e KX Y Z ...,
Например, уравнение связи между числовыми значениями площади
треугольника и его геометрическими размерами имеет вид при условии,
что площадь измеряется в квадратных метрах, а основание и высота
соответственно в метрах и миллиметрах

19. 1.3. Международная система единиц SI (изучить материал самостоятельно стр.18-25, [1])

Единая международная система единиц (система СИ) была; принята XI
Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г
На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января
1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417—81. Система СИ является
логическим развитием предшествовавших ей систем единиц СГС и
МКГСС и др.
Достоинства и преимущества системы СИ:
•универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;
•унификация всех областей и видов измерений;
•когерентность величин;
•возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в
соответствии с их определением;
•упрощение записи формул в физике, химии, а также в технических науках
в связи с отсутствием переводных коэффициентов;
•уменьшение числа допускаемых единиц;
•единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих
собственные наименования;
•облегчение педагогического процесса в средней и высшей школах, так как
отпадает необходимость в изучении множества систем единиц и
внесистемных единиц;
•лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и
экономических связей между различными странами.

20.

А. Основные и дополнительные единицы ФВ
системы СИ
Величина
Наименование
Размерность
Единица
Рекомендуемое
обозначение
Длина
Наименование
Обозначение
русское
международно
е
Основные
L
l
метр
м
m
Масса
M
m
килограмм
кг
kg
Время
T
t
секунда
с
s
Сила
электрического
тока
Термодинамическая
температура
I
I
ампер
А
А
Q
T
кельвин
К
К
Количество
вещества
N
n, v
моль
моль
mol
Сила света
J
J
канделла
кд
cd
Плоский угол
Телесный угол
Дополнительные
-
-
радиан
рад
rad
-
-
стерадиан
ср
sr

21.

Величина
Б. Производные
единицы
системы СИ
Наименование
Единица
Размерность
Наименование
Обозначение
Выражение
через единицы СИ
Т-1
герц
Гц
с-1
Сила, вес
LMT-2
ньютон
Н
м кг с-2
Давление, механическое
напряжение
L-1MT-2
паскаль
Па
м-1 кг с-2
Энергия, работа, количество
теплоты
L2MT-2
джоуль
Дж
м2 кг с-2
Мощность
L2MT-3
ватт
Вт
м2 кг с-3
TI
кулон
Кл
с А
Электрическое напряжение,
потенциал, электродвижущая
сила
L2MT-3I-1
вольт
В
м2 кг с-3 А-1
Электрическая емкость
L-2M-1T4I2
фарад
Ф
м-2 кг-1 с4 А2
Электрическое сопротивление
L2MT-3I-2
ом
Ом
м2 кг с-3 А-2
Электрическая проводимость
L-2M-1T3I2
сименс
См
м-2 кг-1 с3 А2
Поток магнитной индукции
L2MT-2I-1
вебер
Вб
м2 кг с-2 А-1
MT-2I-1
тесла
Тл
кг с-2 А-1
Индуктивность
L2MT-2I-2
генри
Гн
м2 кг с-2 А-2
Световой поток
J
люмен
лм
кд ср
Освещенность
L-2J
люкс
лк
м-2 кд ср
Активность радионуклида
T-1
беккерель
Бк
с-1
Поглощенная доза
ионизирующего излучения
L2T-2
грей
Гр
м2 с-2
Эквивалентная доза излучения
L2T-2
зиверт
Зв
м2 с-2
Частота
Количество электричества
Магнитная индукция

22. В. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ

Наименование
величины
Масса
Единица
Наименование
Обозначение
Соотношение с единицей СИ
тонна
т
103 кг
атомная единица
массы
а.е.м
1,66057 10-27 кг (приблизительно)
минута
мин
60 с
час
ч
3600 с
сутки
сут
86400 с
градус
о
минута
…
секунда
…
град
град
Объем
литр
л
10-3 м3
Длина
астрономическая
единица
а.е
1,45598 1011 м (приблизительно)
световой год
св.год
9,4605 1015 м (приблизительно)
парсек
пк
3,0857 1016 м (приблизительно)
диоптрия
дптр
1м-1
Площадь
гектар
га
104 м2
Энергия
электрон-вольт
эВ
1,60219 10-19 Дж (приблизительно)
вольт-ампер
В А
-
вар
вар
-
Время
Плоский
угол
Оптическая сила
Полная мощность
Реактивная
мощность

23. Г. Кратные и дольные единицы физической величины

Кратная единица — это единица ФВ, в целое число раз превышающая
системную или внесистемную единицу. Например, единица длины —
километр — равна 103 м, т.е. кратна метру. Дольная единица — единица ФВ,
значение которой
в целое число раз меньше системной или внесистемной
единицы. Например, единица длины — миллиметр равна 10~3 м, т.е.
является дольной.
Множитель
Приставка
Обозначение
приставки
международное
русское
Множитель
Приставка
Обозначение
приставки
международное
русское
1018
экса
Е
Э
10-1
деци
d
д
1015
пета
Р
П
10-2
санта
c
с
1012
тера
T
Т
10-3
милли
m
м
109
гига
G
Г
10-6
микро
106
мега
M
М
10-9
нано
n
н
103
кило
k
к
10-12
пико
p
п
102
гекто
h
г
10-15
фемто
f
ф
101
дека
da
да
10-18
атто
a
а
мк

24. Задание на самостоятельную работу

Прочитав конспект лекций ответить на следующие вопросы:
1. Дайте определения понятиям свойство, величина, физическая величина. Как
классифицируются величины? Приведите примеры идеальных и реальных
величин.
2. Поясните разновидности физических величин: энергетические,
вещественные, характеризующие процессы. В чем особенности измерения
энергетических и вещественных величин? Приведите примеры различных
физических величин.
3. Как классифицируют ФВ по видам явлений? Поясните различие физических
свойств этих величин и приведите примеры.
4. Как классифицируют ФВ по принадлежности к различным группам
физических процессов ? Поясните различие физических свойств этих
величин и приведите примеры.
5. Как классифицируют ФВ по степени условной независимости от других
величин данной группы? Поясните различие физических свойств этих
величин и приведите примеры.
6. Как классифицируют ФВ по наличию размерности ? Поясните различие
физических свойств этих величин и приведите примеры.
7. Как, используя основное уравнение измерения, аналитически связать:
значение ФВ, числовое значение ФВ, единица ФВ. Приведите пример
основного уравнения и дайте определения его составляющим.
8. Какие шкалы ФВ Вы знаете? Поясните суть определений этих шкал и
приведите поясняющие примеры.
[1] – А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря. Метрология, стандартизация,
сертификация. – М.: ЛОГОС, 2004. стр. 1-10