Подтверждение метрологических характеристик рабочего эталона скорости воздушного потока Текст научной статьи по специальности «Физика»

Подтверждение метрологических характеристик рабочего эталона скорости воздушного потока

Рассматривается алгоритм действий при подтверждении метрологических характеристик рабочего эталона скорости воздушного потока. Данный алгоритм может оказать помощь производителям метрологического оборудования при создании аэродинамических стендов скорости воздушного потока

А.А. Версин1

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), vaa96@mail.ru

1 аспирант кафедры, Москва, Россия

Для цитирования: Версин А.А. Подтверждение метрологических характеристик рабочего эталона скорости воздушного потока // Компетентность / Competency (Russia). — 2024. — № 4. DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

ключевые слова

аттестация, эталоны, поверка средств измерений, обеспечение единства измерений

еобходимость создания и использования аэродинамических измерительных установок и рабочих эталонов скорости воздушного потока (далее — рабочий эталон) в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений (ОЕИ) связана с проведением поверки приемников полного и статического давления и средств измерений скорости воздушного потока (анемометров различных принципов действия) (далее — приемники), применяемых для измерения реальных скоростей воздушного потока, например по тракту новых авиационных газотурбинных двигателей в процессе их испытаний.

Алгоритм подтверждения метрологических характеристик рабочего эталона

Основываясь на положениях Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» [1] и приказа Росстандарта «Об утверждении Государственной поверочной схемы для средств измерений скорости воздушного потока» [2], для проведения поверки и испытаний в целях утверждения типа приемников необходимо применять аэродинамические измерительные установки и рабочие эталоны больших и сверхзвуковых скоростей, которые поверены в качестве рабочего эталона или аттестованы как рабочий эталон единицы величины.

На рис. 1 изображена Государственная поверочная схема для средств измерений скорости воздушного потока. На схеме представлена передача единицы скорости воздушного потока м/с от государственного первичного специального эталона — с помощью вторичных эталонов, рабочих эталонов, а также эталонов и средств измерений (СИ), заимствованных из других пове-

рочных схем, — к средствам измерений. На рис. 2 показана передача единицы величины от рабочего эталона к средствам измерения.

Для подтверждения метрологических характеристик рабочего эталона руководствуются следующими нормативными документами:

► приказом № 2905 [3] при утверждении типа средств измерений;

► приказом № 2510 [4] при поверке в качестве рабочего эталона;

► Постановлением Правительства РФ № 734 [5] при проведении аттестации на эталон единицы величины.

Через испытания в целях утверждения типа

В большинстве случаев приказом № 2905 руководствуются при утверждении типа рабочих эталонов, которые в будущем могут применяться как рабочие средства измерения и в качестве эталонов для передачи единицы величины. Преимуществом данного подхода является утверждение типа серийного производства, то есть выданный сертификат с описанием типа будет распространяться на все включенные в данный документ средства измерений, выпущенные в срок его действия. Главным минусом такого подхода является дороговизна и долгосрочность подобных испытаний.

Основными документами для проведения испытаний в целях утверждения типа являются:

► заявка на проведение испытаний средств измерений в целях утверждения типа;

► сведения о документе, подтверждающем полномочия заявителя подавать заявку на испытания в целях утверждения типа;

► сведения о месте изготовления СИ. Если имеется несколько производ-

DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

Государственная поверочная схема для средств измерений скорости воздушного потока

ГО О. ^ С

Государственный первичный специальный эталон единицы скорости воздушного потока ГЭТ 150-2012 0,05-100 м/с, СКО = 0,00015+1,0015 V м/с, НСП = 0,00015+0,00Ш м/с, иА = 0,00015+0,00^ м/с, ив = 0,00015+0,00Ш м/с,

Средства измерений разности давлений по ГОСТ 8.187-76 Средства измерений влажности газов по ГОСТ 8.547-2009 Средства измерений температуры по ГОСТ 8.558-2009 Средства измерений абсолютного давления по ГОСТ 8.840-2013

.'"'Непосредственное', отличие

Ôq = 0,05 %

Метод косвенных \ измерений

Средства измерений длины по ГПС,

утвержденной приказом Росстандарта от 29 декабря 2018 № 2840 Средства измерений времени и частоты по ГПС, утвержденной приказом Росстандарта от 31 июля 2018 № 1621 Средства измерений плоского угла по ГПС, утвержденной приказом Росстандарта от 26 ноября 2018 № 2482

Эталон-копия (0,05-100) м/с S = 0.0003+0.003V м/с

Аэродинамические измерительные установки (0,05-100) м/с ST = 0.0003+0.005V м/с

епосредственное отличие

Ôq = 0,05 % /

-ГЬ_3_/~Ь_гЬ_

Непосредственное отличие

\ Ô0 = 0,05 % '

Приемники полного и статического давлений (1-100) м/с Д = (0,002-0,006) - (0,012-0,024^ м/с I

■■ Непосредственное'.. отличие

50 = 0,05 %

Рабочий эталон больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростей

(70-1360) м/с М = 0,2 - 4 Sv = 0,0Ш м/с П

Непосредственное отличие

0 = 0,05 %

Аэродинамические измерительные

установки (0,05-100) м/с Д = (0,0006-0,2) -

- (0,005-0,04)V м/с

JT

1 "

Эталонные анемометры (0,1-60) м/с Д = (0,0015-0,04) -

- (0,015-0,04)V м/с

Лазерные доплеровские анемометры (0,05-100) м/с Д = (0,0006-0,01) -

- (0,005-0,01)V м/с

Непосредственно отличие Ôq = 0,05 %

Сличение с помощью компаратора

Ôq = 0,1 %

m

Сличение с помощью компаратора

Ôq = 0,1 %

Приемники полного и статического давлений (1-100) м/с Д = (0,06-0,1) + (0,025-0,05)V м/с

Приемники полного и статического давлений (70-1360) м/с М = 0,2^ Д = (0,02-0,04)V м/с Аэродинамические измерительные установки (70-1360) м/с М = 0,2^ Д = (0,02-0,04)V м/с

Аэродинамические измерительные

установки (0,05-100) м/с Д = (0,02-0,1) + + (0,025-0,05)V м/с

5=3:

Средства измерений скорости воздушного потока (анемометрь различных принципов действия)

(0,05-100) м/с Д = (0,02-0,1) - (0,03-0,1)У м/с

Лидары, содары и т.п (0,1-60) м/с Д = (0,2-0,5) + + (0,01-0,1)V м/с

Лазерные доплеровские

анемометры Анемометры механические

(0,05-100) м/с (0,05-100) м/с

Д = (0,0006-0,01) + Д = (0,03-1,0) + (0,03-0,1)V м/с

+ (0,015-0,04)V м/с

Рис. 1. Государственная поверочная схема для средств измерений скорости воздушного потока [State verification scheme for air flow velocity measuring instruments]

Л

отличие

Ô0 = 0,05 %

Ô0 = 0,05 % J

Приемники полного и статического давлений (1-100) м/с Д = (0,002-0,006) - (0,012-0,024)V м/с

Рабочий эталон больших дозвуковых и сверхзвуковых скоростей

(70-1360) м/с М = 0,2 - 4 Sv = 0,0Ш м/с

Аэродинамические измерительные

установки (0,05-100) м/с Д = (0,0006-0,2) -_- (0,005-0,04)V м/с

¿1

Эталонные анемометры (0,1-60) м/с Д = (0,0015-0,04) -

- (0,015-0,04)V м/с

>>

Лазерные доплеровские анемометры (0,05-100) м/с Д = (0,0006-0,01) -

- (0,005-0,01)V м/с

Непосредствен отличие

\ _Ôq = 0,05 %

_I Сличение с помощью

компаратора

Ч ôq = 0,1 %

j Сличение с помощью' . компаратора

_ ôq = 0,1 % /'

Приемники полного и статического давлений (1-100) м/с Д = (0,06-0,1) + (0,025-0,05)V м/с

Приемники полного и статического давлений (70-1360) м/с М = 0,2^ Д = (Q,Q2-Q,Q4)V м/с

I Аэродинамические измерительные

установки (70-1360) м/с М = 0,2^ Д = (0,02-0,04)V м/с

Аэродинамические измерительные

установки (0,05-100) м/с Д = (0,02-0,1) + + (0,025-0,05)V м/с

Средства измерений скорости воздашного потока (анемометры различных принципов действия)

(0,05-100) м/с Д = (0,02-0,1) - (0,03-0,1)У м/с

Лидары, содары и т.г (0,1-60) м/с Д = (0,2-0,5) + + (0,01-0,1)V м/с

Лазерные доплеровские

анемометры Анемометры механические

(0,05-100) м/с (0,05-100) м/с

Д = (0,0006-0,01) + Д = (0,03-1,0) + (0,03-0,1)V м/с

+ (0,015-0,04)V м/с

Рис. 2. Передача единицы величины от рабочего эталона к средствам измерения [Transfer of a unit of magnitude from a working standard to measuring instruments]

ственных площадок, то информация передается на каждую из них (только для серийного производства);

► наименование и тип СИ, предъявляемого на испытания;

► сведения о модификациях СИ (при наличии);

► информация о назначении СИ и области его применения;

► информация о характере производства (единичное или серийное);

► сведения о наличии программного обеспечения, которое применяется для получения результатов измерений;

► сведения о метрологических и технических характеристиках СИ, показателях точности;

► сведения о наличии или отсутствии методики поверки СИ;

► сведения о документах, по которым осуществляется изготовление СИ (только для серийного производства);

► сведения о начале осуществления деятельности по производству СИ (только для средств измерений серийного производства, изготавливаемых на территории РФ).

После проведения испытаний средства измерения Росстандарт приказом утверждает его тип и выдает сертификат с описанием типа. Для подтверждения метрологических характеристик средства измерения необходимо провести его поверку в качестве рабочего эталона. При положительных результатах поверки эти сведения передаются в информационный фонд по обеспечению единства измерений и оформляется протокол поверки.

После получения всей необходимой документации рабочий эталон можно применять для поверки рабочих средств измерений в аккредитованных метрологических лабораториях.

Через аттестацию рабочего эталона

Согласно ПП РФ № 734 для подтверждения метрологических и технических характеристик рабочего эталона больших скоростей необходимо провести первичную аттестацию. Ее проводят государственные научные метрологические институты, государственные региональные центры метрологии и Глав-

ный научный метрологический центр Министерства обороны Российской Федерации, по результатам выдается свидетельство об аттестации эталона единицы величины. Для проведения аттестации эталона единицы величины необходимо разработать документацию, которая содержит следующую информацию:

► требования к помещениям и условиям содержания и применения эталона единицы величины;

► требования по установке, регулировке и подготовке эталона единицы величины к его содержанию и применению;

► процедуры контроля технического состояния эталона единицы величины и условий его содержания и применения;

► процедуры технического обслуживания эталона единицы величины и его технической инфраструктуры;

► методику аттестации эталона единицы величины.

Методика подтверждения метрологических характеристик рабочего эталона

Данную методику можно применять в качестве поверки или аттестации рабочего эталона скорости воздушного потока. Она включает в себя следующие разделы:

► внешний осмотр;

► подготовку и опробование;

► определение диапазона измеряемых скоростей;

► определение коэффициента поля скоростей в выходном сечении сопла;

► оценку погрешности измерения скорости воздушного потока;

► определение диапазона и абсолютной погрешности измерения направления воздушного потока.

1. Внешний осмотр. При его проведении должно быть установлено соответствие рабочего эталона следующим требованиям:

► комплектность рабочего эталона соответствует паспорту и эксплуатационной документации;

► средства измерений и устройства, входящие в состав рабочего эталона, не должны иметь механических дефек-

DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

Рис. 3. Расположение точек [Points location]

тов, способных повлиять на результаты поверки/аттестации и препятствовать чтению надписей, маркировки, показаний;

► составные части аэродинамического контура рабочего эталона надежно соединены, внутренняя поверхность свободна от пыли, грязи, посторонних предметов и не имеет видимых дефектов;

► отсутствие видимых механических повреждений соединительных кабелей и пневмотрасс;

► органы управления должны перемещаться без заеданий.

По результатам внешнего осмотра принимается решение о проведении дальнейшей поверки/аттестации или ее прекращении до устранения выявленных недостатков.

2. Подготовка и опробование.

Подготовка поверки/аттестации. Перед ее проведением должны быть выполнены следующие подготовительные работы: проверено наличие паспорта на рабочий эталон и соблюдены условия аттестации:

► температура окружающей среды 20 ± 5 °С;

► относительная влажность воздуха от 30 до 90 %.

Также следует проверить соответствие маркировки, заводского номера и комплектности средств измерений, входящих в состав рабочего эталона, паспортным данным.

Опробование. При опробовании рабочего эталона устанавливается работоспособность устройств и средств измерений, входящих в состав рабочего эталона, в соответствии с эксплуатационной документацией на них.

3. Определение диапазона измеряемых скоростей. Для определения минимальной воспроизводимой скорости на рабочем эталоне задают минимальную скорость воздушного потока согласно паспорту или эксплуатационной документации, которую контролируют по показаниям эталонов, применяемых для поверки/аттестации.

Для определения максимальной воспроизводимой скорости на рабочем эталоне задают максимальную

скорость воздушного потока согласно паспорту или эксплуатационной документации, которую контролируют по показаниям эталонов, применяемых для поверки/аттестации. 4. Определение коэффициента поля скоростей в выходном сечении сопла. Для определения этого показателя внешним приемником проводят измерения местных скоростей в точках, расположенных на горизонтальной оси симметрии измерительного сопла, не менее чем при 10 значениях скорости V, которые включают в себя минимальное и максимальное значение воспроизведения скорости воздушного потока.

Значений координат должно быть не менее 41 по радиусу сопла по оси X и Y, измерения проводят в трех плоскостях Z. Расположение точек представлено на рис. 3, расстояние от оси симметрии до следующей точки должно быть не менее 0,05Д. мм, где Бс — диаметр рабочей зоны сопла. Расстояние между плоскостями должно быть не менее 2Д. мм и 5Бс мм.

В результате измерений получают по 10 значений полей скоростей, воспринятых внешним приемником и встроенными средствами измерений в измерительный аэродинамический контур (соответственно ДРпр у и ДРтр у, I = 1, .., п; )= 1, .., 11).

По полученным значениям полей скоростей ДРпр у и ДРтр ^ вычисляют значение коэффициента поля ту из выражения:

АР ■■•£

_ пР . ^пР (1)

^ АР .. ' Ш

тр у

где Е,пр — коэффициент внешнего приемника по скоростному напору.

Для каждого из режимов скорости воздушного потока просчитывают среднее значение коэффициента поля т

1

И j ^ И j '

(2)

а также среднее значение величины Ртр 1

=- Т^Ртр а • (3)

п г

Оценка погрешности Дт определения значения т вычисляется согласно

рекомендациям МИ 2083-90 [6] (здесь и далее доверительная вероятность Р = 0,95):

1) Среднее квадратическое отклонение случайных погрешностей результата косвенного измерения т оценивают по формуле:

* (д ) = ■

X

i=1

д)

г(п -1) '

(4)

©( . ) = 1'1'^пр

АР„

1 +

тр.

АРп

А2

пр .

АР,

, (5)

тр. J

менения

ДРт

тр

грешности его определения Д|] для указанных режимов получены ранее.

Для каждого отсчета вычисляют оценку погрешности измерения скорости потока согласно специальной методике:

1) Выражение для определения скорости потока можно записать в виде:

(6)

2) Доверительные границы неисклю-ченной систематической погрешности результата косвенного измерения | узнают по формуле:

V=>р д I1 -£)>

где 9Р — границы погрешности датчика давления, остальные обозначения те же, что и в п. 6.3.4. Значения ДР

пр ]

и ДРтр ] выбирают так, чтобы максимизировать 0(|1]) для каждого ]. 3) Погрешность Д| результата измерения | ] вычисляется на основе оценок случайных и неисключенных систематических погрешностей 0(|) — согласно формулам, приведенным в рекомендациях МИ 2083-90.

Для определения коэффициента поля на других режимах скорости используют полином |т = /(ДРтр). Полином строят при помощи метода наименьших квадратов на основе полученных коэффициентов | и ДРтр у Допускается разбивать диапазон из-

где | — коэффициент поля;

р = р(Ра, Р, t, у) — плотность воздуха;

q = q(Po, Р, ДР) и Р = Р(Р0, Р, ДР) — скорректированные значения скоростного напора и статического давления соответственно;

е = s(q, Р, Ра) — поправка на сжимаемость.

2) Тип указанных зависимостей с учетом схемы измерений приведен в руководстве по эксплуатации. Запишем эти формулы в виде, удобном для рас-

р = 0,00348

Ра - Р - 0,378уРш.

г + 273,15 '

я = -

2 АР + Р - Рп

о.

3

р = 2Р + Р0 +АР.

(7)

(8) (9)

на два поддиапазона

и на каждом строить отдельный полином.

5. Оценка погрешности измерения скорости воздушного потока. Скорость потока определяется как результат косвенного измерения: V = V(P0, Р, ДР, Ра, Ь, у). Расчетные формулы и обозначения приведены в руководстве по эксплуатации установки.

Задаются те же значения скорости воздушного потока, что и при определении поля скорости. На каждой скорости берется не менее 3 отсчетов. В результате получают отдельные значения аргументов (Р0г, Рг, и т.д., г =1, .., п). Значения коэффициента поля | ] и по-

РНП = 0,05995г3 + 0,3872г2 + 57,62t + 555,6. (10)

Аргументами для указанных функций служат величины Р0, Р, ДР, Ра, ^

значения которых измеряются при каждом отсчете.

3) Погрешность измерения скорости ДУ оценивается согласно рекомендациям [6] на основе оценок случайных и неисключенных систематических погрешностей, формулы для вычисления которых выглядят следующие образом:

5 52 (Р)+Ш52 (' 52 (■* <">

дд

^ 12ед1 02.(12)

де

DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

4) Значения коэффициента поля | ] и погрешности его определения Д| ] для указанных режимов получены ранее.

5) Для плотности формулы имеют вид:

0р= 1,1 ■

др

др дР

-др =-0,00348

дР 0,00348 ; г + 273,15' 0,00348 ; г + 273,15' 0,378РНП _

др ~дг

0,00348

г + 273,15

-0,378у

дРн

НП

г + 273,15 Ра -Р - 0,378уРнп

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

дг г + 273,15

6) Значения погрешностей 9?, 9^, 5^) и 5(Р) вычисляются по формулам:

° = 2^; (19)

5 (д ) = 5 (Р )

ч

Р Р АР, АР < 630 Па

ментации на них или установленным при калибровке. Подставляя значения аргументов в формулы, получаем значения оценки погрешности измерения скорости для каждого отсчета. 6. Определение диапазона и абсолютной погрешности измерения направления воздушного потока. Эталон единицы плоского угла устанавливают на координатное устройство из состава рабочего эталона таким образом, чтобы начальные значения отсчета соответствовали нулю градусов.

Проводят измерения плоского угла координатного устройства, задавая угол поворота с дискретностью 20 градусов. Проходят полный диапазон от минимального до максимального значения. На каждом из них фиксируют показания координатного устройства аизм г с показаний рабочего эталона, а эталонные значения аэт г с показаний эталона.

Вычисляют абсолютную погрешность измерения угла поворота по формуле:

Р Ро АР, АР > 630 Па

(20)

Да = I

(21)

2

Статья поступила в редакцию 18.01.2024

Результаты считаются положительными, если абсолютная погрешность измерения угла поворота во всех точ-

7) Значения 9^ 9Т, 9Ра, 9Р равны по грешностям соответствующих измерительных приборов, указанным в доку-

Список литературы

1. Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».

2. Приказ Росстандарта от 25.11.2019 № 2815 «Об утверждении Государственной поверочной схемы для средств измерений скорости воздушного потока».

3. Приказ Минпромторга России от 28.08.2020 № 2905 «Об утверждении порядка проведения испытаний стандартных образцов или средств измерений в целях утверждения типа, порядка утверждения типа стандартных образцов или типа средств измерений, внесения изменений в сведения о них, порядка выдачи сертификатов об утверждении типа стандартных образцов или типа средств измерений, формы сертификатов об утверждении типа стандартных образцов или типа средств измерений, требований к знакам утверждения типа стандартных образцов или типа средств измерений и порядка их нанесения».

4. Приказ Минпромторга России от 23.11.2020 № 2510 «Об утверждении порядка проведения поверки средств измерений, требований к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке».

5. Постановление Правительства РФ от 23.09.2010 № 734 «Об эталонах единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений».

6. Ми 2083-90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей.

а

изм г

эт г

ПОЛИГРАФИЯ АСМС

(499) 175 42 91

верстка и дизайн полиграфических изделий, полноценная цифровая печать, ч/б копирование

Kompetentnost / Competency (Russia) 4/2024

ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

Metrological Characteristics Confirming of the Air Flow Velocity Working Standard

A.A. Versin1, Moscow Aviation Institute (National Research University), vaa96@mail.ru

1 Graduate Student of Department, Moscow, Russia

Nation: Versin A.A. Metrological Characteristics Confirming of the Air Flow Velocity Working Standard, Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2024, no. 4, pp. 31-37. DOI: 10.24412/1993-8780-2024-4-31-37

key words

certification, standards, verification of measuring instruments, ensuring the uniformity of measurements

The algorithm of actions for confirming the metrological characteristics of the working standard of the air flow velocity is considered. This algorithm can assist manufacturers of metrological equipment in creating aerodynamic air flow velocity stands. The need to create and use aerodynamic measuring devices and working standards of air flow velocity in the field of state regulation of ensuring the uniformity of measurements is associated with the verification of full and static pressure receivers and air flow velocity measuring instruments used to measure real air flow velocities, for example, along the path of new aviation gas turbine engines during their testing.

References

1. RF Federal Law of 26.06.2008 N 102-FZ On ensuring the uniformity of measurements.

2. RF Federal Agency on Technical Regulating and Metrology Order of 25.11.2019 N 2815 On approval of the State verification scheme for air flow velocity measuring instruments.

3. RF Ministry of Industry and Trade Order of 28.08.2020 N 2905 On approval of the procedure for testing standard samples or measuring instruments for type approval, the procedure for approving the type of standard samples or type of measuring instruments, making changes into information about them, the procedure for issuing certificates of type approval standard samples or type of measuring instruments, the form of certificates of type approval standard samples or type of measuring instruments, requirements for marks of type approval standard samples or type of measuring instruments and the procedure for their application.

4. RF Ministry of Industry and Trade Order of 23.11.2020 N 2510 On approval of the procedure for verification of measuring instruments, requirements for the verification mark and the content of the verification certificate.

5. RF Government Decree of 23.09.2010 N 734 On standards of units of quantities used in the field of the state regulation of ensuring the uniformity of measurements.

6. MI 2083-90 SSM. Indirect measurements. Determination of measurement results and estimation of their errors.

НОВАЯ КНИГА

Мерецков О.В.

Рекомендации по разработке авторских материалов для применения в электронном обучении

Методическое пособие. — М.: АСМС, 2023

В пособии рассмотрены технические, методические и правовые аспекты подготовки авторских материалов с целью последующего создания на их основе цифрового образовательного контента профессиональными коллективами разработчиков. Даются практические рекомендации по организации взаимодействия с авторами в составе коллектива разработчиков, составлению паспорта программы изучения электронного учебного курса, сценария работы диалогового тренажера, контрольно-измерительных материалов для компьютерного тестирования, съемке видеолекций. Издание адресовано педагогам системы ДПО, преподавателям и методистам системы образования всех уровней, специалистам центров компьютерного и дистанционного обучения, студентам педагогического профиля.

По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru