Метрология стандартизация и сертификация в строительном материалове

Исключение постоянных систематических погрешностей в процессе измерений осуществляют методом сравнения (замещения, противопоставления), компенсации по знаку (предусматривают два наблюдения, чтобы в результат каждого измерения систематическая погрешность входила с разным знаком), а исключение переменных и прогрессирующих – способами симметричных наблюдений или наблюдением четное число раз через полупериоды.

Пример 1.4. Пусть периодическая погрешность меняется по закону

∆ = Asin 2π φ,

T

где φ – независимая величина, от которой зависит ∆ (время, угол поворота и т.д.); Т – период изменения погрешности.

Находим значение погрешности для φ = φo + ε, где ε – такой интервал, при котором

Определим, чему равен интервал ε. Решение. По условию для интервала ε имеем

2π ε= π и ε = T/2.

81

То есть периодическая погрешность исключается, если взять среднее двух наблюдений, произведенных одно за другим через интервал, равный полупериоду независимой переменной φ, определяющей значение периодической погрешности. То же будет и для нескольких пар подобного рода наблюдений (например, погрешность от эксцентриситета в угломерных средствах измерения).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Метрология базируется на комплексе терминов и понятий, главные из которых таковы.

Физическая величина – свойство, в качественном отношении общее для многих физических объектов, но в количественном отношении для каждого объекта индивидуальное. Физическими величинами являются длина, масса, плотность, сила, давление и другие.

Единица физической величины – числовое значение этой величины, равное 1. Например, масса 1 кг, сила 1 Н, давление 1 Па.

Единицы одной физической величины в различных системах единиц могут различаться по размеру, например для силы 1 кг и 10 Н.

Значение физической величины – численная оценка физической величины конкретного объекта в принятых единицах. Например, значение массы кирпича – 3,5 кг.

Техническими измерениями называется определение значений различных физических величин специальными

82

техническими методами и средствами. При лабораторных испытаниях используют измерения геометрических размеров, массы, температуры, давления, силы и другие. Важнейшие требования, предъявляемые к техническим измерениям, – единство и точность измерений.

Единство измерений – состояние измерений, когда их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо, чтобы можно было сопоставлять результаты измерений, выполненные в разных местах, в различное время, с помощью разнообразных приборов.

Точность измерений – качество измерений, отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины.

Значение физической величины хизм, полученное при измерении, находят по формуле

хизм=А/n,

где А – числовое значение; n – единица физической величины. В метрологии различают истинное и действительное значения физических величин.

Истинное значение физической величины идеальным образом отражает в качественном отношении соответствующие свойства объекта. Истинное значение свободно от ошибок измерения. Поскольку все значения физической величины находят опытным путем и они содержат ошибки измерений, то истинное значение остается неизвестным.

Действительное значение физической величины находят экспериментальным путем; оно настолько приближается к истинному значению, что для определенных целей может быть использовано вместо него. При техниче-

83

ских измерениях значение физической величины, найденное с допустимой техническими требованиями погрешностью, принимают за действительное значение.

Погрешность измерения – отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике лишь приближенно оценивают погрешности измерений, сравнивая результаты измерения со значением этой же величины, полученным с точностью в несколько раз более высокой. Например, погрешность измерения размеров образца линейкой, которая составляет 1 мм, можно оценить, измерив образец штангенциркулем с погрешностью не более 0,05 мм. Различают погрешность абсолютную, выражаемую в единицах измеряемой величины, и относительную, представляющую собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины.

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Средства измерений делят на меры и измерительные приборы.

Мера – средство намерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря – мера массы).

Измерительный прибор – средство измерений, которое служит для воспроизведения измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюдателем. Простейшие измерительные приборы (например, линейка, штангенциркуль) называют измерительным инструментом.

Основные метрологические показатели приборов:

– цена деления шкалы – разность измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы;

84

– начальное и конечное значения шкалы – соответст-

венно наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, указанные на шкале; диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности.

Погрешности измерения – результат взаимного наложения ошибок, вызываемых различными причинами: погрешностью самих измерительных приборов, погрешностями, возникающими при пользовании прибором и считывании результатов измерений и погрешностей из-за несоблюдения условий измерения.

При достаточно большом числе измерений среднее арифметическое результатов измерений приближается к истинному значению, а погрешность уменьшается.

Иногда при измерениях возникает так называемая грубая погрешность измерения, которая существенно повышает погрешность, ожидаемую при данных условиях. Результаты измерений, содержащие грубые погрешности, исключают из рассмотрения как недостоверные.

Средства измерений выбирают таким образом, чтобы их допускаемая погрешность в заранее установленных условиях применения, т.е. с учетом всех дополнительных погрешностей, не превышала погрешности, установленной стандартом или техническими условиями (ТУ) на данный вид измерения (испытания) материала. Применять средства измерения, погрешность которых значительно ниже требуемой стандартом, нерационально, особенно при комплексном испытании материала, когда другие измерения проводятся с большей погрешностью. Например, измерение массы и объема пробы материала при расчете его плотности нужно выполнять средствами измерения, имеющими приблизительно одинаковую погрешность.

85

Единство измерений обеспечивается установлением единиц измерений и разработкой их эталонов. На XI генеральной конференции по мерам и весам (1960) была принята Международная система единиц (СИ), которая заменила сложную совокупность систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившихся на основе метрической системы мер. В России СИ принята в качестве стандартной, а в области строительства ее применение регламентировано СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве». Переход на новую систему единиц в условиях сложного хозяйства нашей страны в короткие сроки невозможен, поэтому до настоящего времени в части технической документации, в шкалах приборов и аппаратов используют старые единицы физической величины.

Допуск – допускаемое отклонение числовой характеристики какого-либо параметра от его номинального (расчетного) значения в соответствии с заданным классом точности. Допуск задают на геометрические размеры деталей и изделий, на механические, физико-химические и другие величины (например, прочность, твердость, химический состав).

Допуски указывают в стандартах, технических требованиях или чертежах изделий в виде двух предельных размеров (наибольшего и наименьшего), между которыми находится действительный размер, т.е. размер, определяемый измерением. Вместо предельных размеров в технической документации обычно указывают номинальный размер, полученный при расчетах данного изделия, и два предельных отклонения – верхнее и нижнее, равные соответственно алгебраической разности наибольшего и наименьшего пре-

86

дельных размеров и номинального размера. Например, при определении стандартной консистенции гипсового теста (ГОСТ 23789–79) диаметр расплыва теста должен быть (180–5) мм; отклонение размеров керамического кирпича по длине составляет не более – 5 мм, а по ширине – 4 мм

(ГОСТ 530–2007).

Допуски устанавливают для поддержания необходимого качества материалов, изделий и взаимозаменяемости деталей и сборочных единиц машин, аппаратов и сооружений.

Взаимозаменяемость – свойство одинаковых деталей и сборочных единиц, позволяющее производить сборку или заменять их без предварительной подгонки. Взаимозаменяемость имеет большое народно-хозяйственное значение и является одной из предпосылок организации массового и крупносерийного производства

В строительстве проблема взаимозаменяемости особенно остро встала в связи с развитием сборного строительства, когда различные детали и сборочные единицы одного здания или сооружения производятся различными предприятиями. В этом случае эффективная сборка здания возможна лишь при обеспечении взаимозаменяемости и соблюдении требуемых допусков.

Измерение – это сравнение исследуемой величины с другой однотипной величиной, принятой за единицу измерения.

Истинного значения измеряемой величины мы не получаем никогда. Результаты измерений дают лишь ее приближенное значение. Это связано с природой измеряемых объектов и с принципиальной невозможностью абсолютно точных измерений.

87

Различные измерительные приборы дают возможность получить значение измеряемой величины с той или иной степенью точности. Точность прибора – его свойство, характеризующее степень приближения показаний этого прибора к действительному значению измеряемой величины. Точность прибора зависит от физического явления, на основе которого построен метод измерения, а также от точности изготовления отдельных частей прибора (допуски).

Все погрешности измерений делят на два типа: систематические и случайные.

Воснове теории случайных ошибок лежат два предположения, подтвержденные опытом:

1. При большом количестве измерений ошибки одинаковой величины, но разного знака встречаются с одинаковой частотой.

2. Вероятность появления ошибки тем меньше, чем больше ее абсолютная величина.

Впроцессе исследования материалов, особенно в тех случаях, когда преследуется цель – установить, чем влияние некоторого фактора на свойства материала, получаемого

водном эксперименте, отличается от влияния на свойства такого же материала, полученного в другом эксперименте.

При бесконечно большом числе измерений истинное значение измеряемой величины равно среднеарифметическому значению всех результатов измерения.

Нормальное распределение отклонений от истинного значения характеризуется двумя параметрами: генеральным средним значением случайной величины и дисперсией.

Для оценки границ доверительного интервала используют коэффициент, который называют «коэффициентом (критерием) Стьюдента».

88

Для оценки точности измерений введено понятие относительной ошибки, равной отношению абсолютной ошибки результата измерений к среднему значению измеряемой величины.

Для оценки измеряемой величины вычисляют средние значения ее, которые оценивают с помощью среднего квадратического значения и взвешенного среднего.

В процессе исследования материалов, особенно в тех случаях, когда преследуется цель – установить, чем влияние некоторого фактора на свойства материала, получаемого в одном эксперименте, отличается от влияния на свойства такого же материала, полученного в другом эксперименте. Для решения этого вопроса необходимо выяснить, является ли расхождение средних значимым или находится в пределах ошибки эксперимента. Устанавливают значимость расхождения средних значений с помощью критерия Стьюдента.

Математическое описание эмпирических зависимостей, полученных в экспериментах, производят с помощью метода наименьших квадратов (МНК).

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Воспроизводимость – возможность воспроизвесдения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники.

Дисперсия – стандартная ошибка во второй степени. Допуск – допускаемое отклонение числовой характеристики какого-либо параметра от его номинального

89

(расчетного) значения в соответствии с заданным классом точности.

Единица физической величины – числовое значе-

ние этой величины, равное 1.

Значение физической величины – численная оцен-

ка физической величины конкретного объекта в принятых единицах.

Измерение – сравнение исследуемой величины с другой однотипнойвеличиной, принятойза единицу измерения.

Калибровка – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерения, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона.

Коэффициент (критерий) Стьюдента – величина,

соответствующая нормальному (Гауссову) распределению случайных погрешностей при данном количестве измерений.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Относительная ошибка – отношение абсолютной ошибки результата измерений к среднему значению измеренной величины.

Поверка – операция, проводимая уполномоченным органом и заключающаяся в установлении пригодности средств измерения к применению на основании экспериментально определенных метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям

Погрешность измерения – отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины.

90