Метрология, стандартизация и сертификация. Часть 1. Метрология. Учебно-методический комплекс

41

килограмма различные страны сличали свои национальные эталоны с международным. Отклонения массы национальных эталонов составили от 0,000 (Италия) до +0,031 (Швейцария).

В практических целях создаются дополнительные специальные эталоны на государственном уровне. Вся эталонная база России насчитывает 114 государственных эталонов. По приоритету воспроизведения и хранения единицы первичному эталону соподчиняются вторичные и рабочие эталоны.

Статус «первичного» эталона присваивается Росстандартом, вторичные утверждаются в зависимости от особенностей их применения Росстандартом или государственными метрологическими центрами.

Рабочие эталоны получают размер единицы, как правило от вторичного эталона и служат для передачи размера единицы другим рабочим эталонам меньшей точности и рабочим средствам измерений, которые в свою очередь в зависимости от точности подразделяются на разряды от первого (более высокой точности) до четвертого (наименьшей точности для

физической величины рабочим эталонам. Иногда вторичные эталоны часто называют эталонами-копиями.

Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения эталонов, главным образом, государственных с другими. Эталоны сравнения также часто относят к группе вторичных эталонов.

Рабочие эталоны предназначены для проверки наиболее точных средств измерений.

В течении всего срока службы эталонов периодически необходимо проверять их свойства, чтобы обеспечить постоянство воспроизводимых ими единиц и повышения точности.

Для того чтобы обеспечить воспроизведение единиц с максимально возможной точностью, государственные эталоны постоянно совершенствуются. Для обеспечения единства измерений физических величин в международном масштабе важную роль играют международные сличения национальных государственных эталонов. Эти сличения помогают выявить систематические погрешности воспроизведения единицы национальными эталонами, выявить, насколько национальные эталоны соответствуют международному уровню, и наметить пути совершенствования национальных (государственных) эталонов.

Например, по решению I Генеральной конференции по мерам и весам, России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве государственного эталона массы. Прототип № 26 использовался как вторичный эталон.

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» в г. Санкт-Петербурге на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20±3°С, относительная влажность 65%. Один раз в 10 лет с ним

42

сличаются два вторичных эталона. При сличении с международным эталоном наш национальный эталон массы получил значение 1,0000000877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг; весы № 1 изготовлены фирмой «Рупрехт», а № 2 — НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Погрешность воспроизведения килограмма составляет 2-10~9. Отклонения массы эталонов, определяемые при международных сличениях, показывают достаточную степень ее стабильности.

3.Стандартные образцы состава и свойств материалов и веществ

Впроизводстве строительных материалов большое значение имеют

стандартные образцы состава и свойств материалов. Они предназначаются для градуировки или калибровки средств измерений химического, минералогического или фазового составов, механических, оптических, теплофизических, химических и других свойств материалов.

Стандартный образец – это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).

Стандартные образцы – это мера с установленной погрешностью или классом точности; применяются для контроля качества сырья и продукции строительных материалов и изделий. Стандартный образец – материал или вещество, одно или несколько свойств которого достаточно точно установлены, чтобы использовать их для калибровки аппаратуры, оценки метода измерения или для приписывания значений материалов.

Погрешность стандартного образца определяется погрешностью тех методов и средств измерений, с помощью которых осуществлялась аттестация стандартного образца.

Учитывая большое разнообразие строительных материалов и изделий, постоянную их разработку и совершенствование с применением новых видов сырья и новых технологий, для оценки сравнимости их свойств особенно важно иметь стандартные образцы. Почти все современные рентгено-спектральные экспресс-методы анализа химического состава сырья и материалов (стекла, цементного клинкера) являются эталонными, т.е. химический состав оценивается по отклонениям от состава эталонов.

Аттестуемые с помощью стандартных образцов состав или свойства материала, как и самого стандартного образца, часто претерпевают со временем существенные изменения. Поэтому важным показателем стандартного образца является срок его годности, указываемый в аттестате или свидетельстве.

Стандартные образцы, прошедшие специальные испытания и получившие аттестат или свидетельство, подлежат регистрации в государственном реестре стандартных образцов, который является разделом государственного реестра средств измерений.

43

Лекция №6 ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

1.Виды измерений

2.Методы измерений

3.Методы контроля

1. Виды измерений

Для измерения физической величины необходимо создать ряд условий: возможность выделения измеряемой величины среди других величин; возможность установления единицы, необходимой для измерения выделенной величины; возможность материализации (воспроизведения и хранения) установленной единицы техническими средствами; возможность сохранения неизменным размера единицы (в пределах установленной точности) как минимум на срок, необходимый для измерений.

Классификация измерений диктуется потребностями теории и практики. Поэтому всегда должна быть сформулирована цель классификации измерений, откуда будет следовать классификационный признак.

Один из вариантов классификации измерений:

—лабораторные и технологические, цель которых разделить измерения на такие общие группы, для каждой из которых принципы оценки погрешностей были бы одинаковыми. Например, при лабораторных измерениях погрешность каждого получаемого результата оценивается по данным самих измерений. При технологических измерениях в заданных условиях по заранее разработанной методике нет необходимости анализировать погрешности полученных результатов измерений, т.е. погрешности не учитываются;

—статические и динамические, цель которых — возможность принятия решения о том, нужно ли при конкретных измерениях учитывать скорость изменения величины или нет. Например, в системах автоматического управления технологическими процессами производства, когда выбранная в качестве критерия управления измеряемая величина непрерывно изменяется.;

—прямые и косвенные измерения, цель которых — удобство выделения методологических погрешностей измерений, возникающих при определении результатов измерения путем расчета по известным функциональным зависимостям на основании результатов прямых измерений.

Однако, большинство метрологов придерживаются классификации измерений, представленной в табл. 6.1.

Равноточные измерения — это ряд измерений физической величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений и в одних и тех же условиях.

44

Неравноточные измерения — это ряд измерений, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в несколько разных условиях.

Неравноточные измерения обрабатывают с целью получения результата измерений только в том случае, когда невозможно получить ряд равноточных измерений.

Однократное измерение — это измерение, выполненное только один раз.

Многократное измерение — это измерение одного и того же размера физической величины, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т. е. состоящее из ряда однократных измерений. При четырех измерениях и более, входящих в рад, измерение можно считать многократным. За результат многократного измерения обычно применяют среднее арифметическое значение из отдельных измерений.

Статическое измерение — это измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерение диаметра детали при нормальной температуре.

Динамическое измерение — это измерение изменяющейся по размеру физической величины и, если необходимо, ее изменения во времени. Например, измерение переменного напряжения электрического тока.

Технические измерения — это измерения с помощью рабочих средств измерений. Применяются с целью контроля и управления. Например, измерения диаметра деталей в ходе технологического процесса.

Метрологические измерения — это измерения с помощью эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерений.

45

Абсолютное измерение — это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Например, измерение силы F основано на измерении основной величины — массы (т) и использования физической постоянной g (в точке измерения массы).

Относительное измерение — это измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Прямые измерения — это измерения, проводимые прямым методом, при котором искомое значение величины получают непосредственно.

Например, показание приборов: измерение температуры — термометром; длина — линейкой или рулеткой с делениями; электрического напряжения — вольтметром; гранулометрию, размер зерен сыпучих материалов — через набор сит с определенным размером отверстий или под микроскопом с измерительной шкалой.

Прямые измерения составляют основу для более сложных видов измерений — косвенных, совокупных, совместных.

Косвенные измерения — это измерения, при котором искомое значение физической величины определяется на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение объема прямоугольного параллелепипеда по значениям его ширины В, длины L и высоты H. Как известно, эти величины связаны между собой уравнением V = ВLН.

Косвенные измерения в строительстве и промышленности строительных материалов встречаются очень часто. Например:

— определение предела прочности материала, так как в ходе испытания измеряют разрушающее усилие и линейные размеры образца. А прочность на сжатие:

сж=P/S,

где Р — разрушающее усилие; S — площадь поперечного сечения образца;

— определение коэффициента линейного термического расширения однородного материала (стекла, металла), когда в ходе испытания измеряется удлинение образца в процессе нагрева; КЛТР ( ) вычисляется по формуле:

α = l/l0 ( dl/dt)p ,

где l0 — первоначальная длина образца; dl — удлинение образца при повышении температуры dt.

Примером косвенных измерений могут быть тригонометрические методы измерения углов, при которых острый угол прямого треугольника определяют по измеренным длинам катетов и гипотенузы.

Косвенные измерения в ряде случаев позволяют получить более точные результаты, чем прямые измерения. Например, погрешности прямых

46

измерений углов угломерами на порядок ниже погрешностей косвенных измерений углов с помощью синусных линеек.

Совокупные измерения — это проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Например, необходимо определить размеры физических величин А1, А2 и А3, но не имеется средств, которые дали бы возможность измерить непосредственно эти величины, а имеются средства, позволяющие определить суммы любых двух из указанных величин. Тогда, измеряя различные сочетания величин, получим:

где а, b и с — результаты измерения соответствующих пар размеров величины. Решив эту систему уравнений, можно определить величины

А1, А2 и А3.

При этом число уравнений системы не должно быть меньше числа искомых величин. Наиболее простым примером совокупных измерений служит определение массы отдельных гирь набора, когда известна масса одной из них. Искомые массы находят по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения — это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, на основании ряда одновременных измерений приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры (полученных в результате измерений) определяют коэффициент линейного расширения образца.

Например, при определении модуля упругости бетона измеряют напряжения в бетоне при различных значениях относительной деформации ; далее рассчитывают начальный модуль упругости при напряжении, равном

0,2 предела прочности.

3. Методы измерений и контроля

Метод измерений — это прием или совокупность приемов использования принципов и средств измерений, т.е. совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.

Все без исключения методы измерений являются разновидностями одного единственного метода — метода сравнений с мерой, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (однозначной или многозначной).

47

Принципы измерений — это совокупность физических явлений или эффектов, положенные в основу измерения тем или иным типом средств измерений.

Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Различают следующие основные методы измерений: непосредственной

оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, нулевой, контактный и бесконтактный.

Метод непосредственной оценки — метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству показывающего измерительного прибора. Например, измерение размера с помощью штангенциркуля или микрометра, силы электрического тока амперметром и т. п.

Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известными значениями).

Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры доводят до нуля. Например, измерение сопротивления с помощью моста сопротивлений.

Метод измерения замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины. Например, на чашку весов, предназначенную для взвешивания массы, устанавливают полный комплект гирь и уравновешивают весы произвольным грузом. Затем на чашку с гирями помещают взвешиваемую массу и снимают часть гирь для восстановления равновесия. Суммарное значение массы снятых гирь соответствует значению взвешиваемой массы (способ Д.И. Менделеева).

Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор воздействовала сумма, равная заранее заданному значению.

Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от измеряемой величины, при котором измеряется разность между этими двумя величинами. В этом случае относительная погрешность x измеряемой величины х будет равна

где м — относительная (отнесенная к номинальному значению меры xм) погрешность калибровки меры; и — инструментальная погрешность прибора

(а = х — хм).

При малых а влияние и на точность результата измерений может быть сведена к нулю. Этот метод нашел широкое распространение в поверке.

Контактный метод измерений — метод, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Например, контроль температуры термометром.

48

Бесконтактный метод измерения — метод, основанный на том, что чувствительный элемент прибора не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры пирометром.

Выбор того или иного метода измерений определяется назначением их результатов и требованиями к точности.

3. Методы контроля

Существует принципиальная разница между ―измерением‖ и ―контролем‖, хотя при этом используются одни и те же методы. Все зависит от задачи, решаемой путем применения данной операции.

Если требуется знать значение величины, т.е. число, которое затем используется для характеристики материала, конструкции в расчетах и пр., то данную операцию следует отнести к измерениям. Контроль - это результат суждения, заключения ―годен — не годен‖, и при контроле решаются другие типы задач, чем при измерении.

Общие особенности ―измерений‖, имеющие теоретическое и практическое значение:

—единство методологии оценки степени достижения цели измерений, которое обобщается научной дисциплиной ―метрология‖;

—общность цели — количественная оценка свойств объектов измерений именно в тех условиях, в которых объекты находятся при проведении измерений;

—первичная информация о свойствах материала получается в результате непосредственного взаимодействия специального измерительного прибора с объектом информации;

—общность этапов подготовки к данному виду измерений;

—общность метрологической методологии достижения цели измерений (погрешности измерений), что является основной фундаментальной особенностью измерений.

Различают методы контроля: дифференцированные, комплексные, разрушающие и неразрушающие.

Дифференцированный (поэлементный) метод контроля состоит в независимой проверке каждого параметра изделия в отдельности.

Комплексный метод контроля — заключается в одновременной проверке суммарной погрешности нескольких параметров.

Дифференцированный метод позволяет выявить причины брака изделий, а комплексный метод обеспечивает проверку взаимозаменяемости изделий в конструкциях.

Примерами разрушающих методов контроля качества изделий являются испытания строительных материалов на изгиб, сжатие, растяжение. Примером неразрушающих методов контроля является лазерная, ультразвуковая и акустическая дефектоскопия бетона, стекла, керамики и других строительных материалов.

49

Все методы контроля, как и методы измерений, могут осуществляться контактным способом, при котором измерительные поверхности прибора взаимодействуют с проверяемыми изделиями, или бесконтактным способом.

Метрологическое обеспечение контроля и испытаний определяется

метрологическим обеспечением измерений. Методы контроля и испытаний,

разрабатываемые в соответствии с требованиями ГОСТ Р 1.5 должны обеспечивать получение воспроизводимых результатов с заданной точностью. От уровня метрологического обеспечения зависит объективная проверка, оценка значений параметров продукции, установленным на нее НД требованиям.

При разработке порядка испытаний и контроля необходимо указывать способ отбора проб; например, отбор средней пробы для анализа сыпучего сырьевого материала методом квартования; количество пробы, а также последовательность проведения операций контроля и видов испытаний с учетом воздействия внешних факторов.

При осуществлении испытаний используются средства испытаний, в состав которых входит испытательное оборудование и средства измерений значений параметров, режимов испытаний и испытуемой продукции.

В области строительных материалов стандартизованы методы и средства измерений, предназначенные для определения: химического, минералогического, фазового состава материала; структуры материала, в том числе твердого вещества и поровового пространства; показателей качества, установленных стандартами (физические величины — плотность, термостойкость, термопроводность и прочее; технические характеристики — химическая устойчивость, морозостойкость, износоустойчивость и прочее).

При этом недопустима стандартизация методов, которые требуют средств измерений, не прошедших государственных испытаний, либо не выпускаются серийно и не имеют метрологического обеспечения.

Лекция № 7

ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.Понятие точности измерении.

2.Основные виды погрешностей измерения.

3.Погрешности средств измерений.

4.Математическая обработка результатов измерений.

1.Понятие точности измерения

На протяжении всей истории своего существования человечество стремилось к абсолютной точности определения значений физических величин.

50

Д.И. Менделеев – основоположник отечественной метрологии, ученый хранитель «Депо образцовых мер и весов», которое было создано в 1835 году при Петербургском монетном дворе, говорил: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять». Еще более образно высказывание основоположника английской метрологии Джозефа Томсона: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».

Действительно, повышение точности измерений – это путь к открытиям. Мир познаваем, но возможности его познания ограничены точностью средств измерений. Поэтому, требования к точности измерения, необходимой для расширения наших знаний безграничны.

Согласно ИСО-10012-1-92, точность измерений – степень совпадения результатов измерения и истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Состояние современной измерительной техники и методов обработки результатов позволяют добиваться очень большой точности результатов измерений. Однако пути повышения точности сложны, во многих случаях трудоемки и требуют длительного времени. Поэтому мнение о том, что чем точнее измерение, тем лучше, во многих случаях не оправдано.

Высочайшие точности измерений требуют применения вероятностных статистических методов и других знаний кибернетики. Это увеличивает число требуемых измерений и приводит к необходимости автоматизации измерений.

Уровень точности, к которой следует стремиться, определяется критерием целесообразности и конкретными условиями.

Например, при обследовании здания, в котором появилась трещина, вряд ли есть смысл и целесообразность измерять ее величину с точностью до мкм и применять сложное оборудование.

Действительное значение величины наиболее точно на данном этапе развития измерительной техники. Чем точнее прибор, тем меньше разность измеренного и действительного значений, но тем сложнее прибор и дороже.

Поэтому в зависимости от измеряемого параметра и требований, предъявляемых к данному виду измерений, следует подбирать метод, способ и прибор. Измеряй как можно точно, но не точнее, чем это нужно.

Выбор метода и средства измерений определяется также целью; например, измерение температуры в бытовом помещении термометром, а в стекловарении или цементной печи оптическим пирометром или термопарой.

Проблема повышения надежности строительной продукции может решаться только на основе получения полной и достоверной измерительной информации о параметрах, определяющих их надежность.