Метрологические требования к средствам измерений

(необходимые определения)

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

Средства измерений - это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормативные метрологические характеристики.

Поверка средств измерений - определение метрологическими органами погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

Метрологическая аттестация средств измерений - исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных.

Измерение - процесс нахождения какой-либо физической величины с помощью технических средств и сравнения её с эталоном.

При обследовании конструкций могут измеряться прогиб, размеры сечений, длина или пролет конструкции, ширина раскрытия и глубина трещин, диаметр арматуры, толщина её защитного слоя, плотность, прочность, водонепроницаемость, теплопроводность, влажность материалов и другие величины, характеризующие физико-механические свойства и структуру материалов, геометрические размеры конструкций, точность их сборки и монтажа.

При испытании конструкций кроме многих из уже перечисленных могут подлежать измерению также линейные фибровые деформации материалов, углы поворота сечений, контролироваться значения прикладываемых испытательных нагрузок и другие величины.

Большое количество величин приходится измерять при изготовлении строительных материалов, конструкций и деталей, при производстве большинства видов строительно-монтажных работ.

Измерения физических величин, которые можно провести непосредственно, называются прямыми (так можно измерить перемещение, скорость, деформацию и др.).

Но есть ряд величин, которые измерить непосредственно нельзя, они условны (например, напряжение, жесткость и др.). Их можно установить лишь с помощью косвенных измерений (например, напряжение определяют по деформации, используя в упругой стадии работы материала закон Гука, в пластической стадии - функциональную зависимость). Достоверность результата косвенных измерений зависит не только от инструментальной погрешности (см. ниже), но и от методической (в какой степени справедлива функциональная зависимость).

Косвенными являются, например, все неразрушающие методы контроля (измеряется не само контролируемое свойство, например, прочность бетона, величина защитного слоя арматуры и т.д., а какой-то косвенный показатель - скорость ультразвука, степень ослабления ионизирующего потока и др.).

Параметры измерения:

- погрешность -разность между истинными и измеренными значениями величин;

- точность -степень приближения результатов измерений к истинному значению;

- достоверность - вероятность отклонения измерения от истинного значения;

- диапазон измерения - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений;

- цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы;

- предел измерений - наибольшее и наименьшее значения диапазона измерения;

- чувствительность измерительного прибора - отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Классы измерений:

- особо точные (эталонные);

- высокоточные (градуировка измерительных систем);

- технические (применяются при испытаниях).

Никакое измерение с помощью технического средства не может быть выполнено абсолютно точно, так как любой измерительный прибор или преобразователь обладают какими-то конструктивными допусками, сказывается и погрешность градуировки. Это - инструментальная погрешность.

Методические погрешности возникают от того, что прибор неправильно воспринимает или искажает измеряемую величину (примеры: несоответствие базы прибора задачам эксперимента; струнный тензометр внутри твердого тела сам вносит искажение в исследуемое напряженное состояние).

Погрешность прибора, возникающая при нормальных условиях эксплуатации или аттестации (t = 20⁰С и W = 60 %) называется основной.

Погрешности, возникающие при t , отличной от 20^оС, и W, отличной от 60 %, а также от других помех, называются дополнительными.

Как основная, так и дополнительная погрешности (каждая из них) включает в себя:

- случайную составляющую (случайную погрешность);

- систематическую составляющую (систематическую погрешность).

Погрешность является случайной, если её значения различны даже в результате измерений, выполненных одинаковым образом. Для уменьшения влияния случайных погрешностей увеличивают число измерений, дублируют показания приборов.

Систематические погрешности - это такие погрешности, которые остаются постоянными или изменяются по определённому закону при многократном повторении одних и тех же измерений. Любое округление чисел, например, является систематической погрешностью. Причины, вызывающие систематические погрешности, обычно известны, поэтому такие погрешности могут быть уменьшены или вовсе исключены за счет применения более чувствительных приборов, учета влияния какого-то фактора и т.п. Уменьшить же систематическую погрешность увеличением числа измерений невозможно.

Промахами являются грубые ошибки по вине экспериментатора. При обработке результатов измерений промахи исключают. Один из методов выявления промахов при ограниченном числе измерений основан на вычислении критерия Романовского В.И. По заданной вероятности Р (Р = 0,95; 0,99; 0,995) в зависимости от числа измерений n по таблице сначала определяют коэффициент t^/ (Стьюдента). Значения этого коэффициента приведены в таблице:

f = n - 1	P = 0,95	Р = 0,99	Р = 0,995
	15,56 4,97 3,56 3,04 2,78 2,62 2,51 2,47 2,37   2,29   2,24   2,2   2,17   2,15 1,96	77,96 11,46 6,53 5,04 4,36 3,96 3,71 3,54 3,41   3,23   3,12   3,04     2,93 2,58	779,7 36,5 14,46 9,43 7,41 6,37 5,73 5,31 5,01   4,62   4,37   4,2   4,07   3,98 3,29

Затем выполняют следующие операции:

1. Результаты измерения записывают в отдельную таблицу.

2. Определяют среднее арифметическое значение величины x^/.

3. Находят погрешности отдельных измерений

D x_i = x_i - x^/.

4. Вычисляют квадраты погрешностей отдельных измерений

(D x_i)².

5. Определяют среднее квадратичное отклонение

6. Если окажется, что х^/ - х_max > S t^/ , то х_max считают промахом и исключают из ряда наблюдений. Вновь выполняют п. 2, 3, 4 (уже исключив промах). Вновь выполняют п. 5 (уже при меньшем значении n).

7. Находят погрешность измерений

t^/

и границы доверительного интервала

х = х^/ ± Dх.

8. Определяют относительную погрешность (в %)

,

характеризующую точность измерений.

9. Сравнивают погрешность измерений Dх с величиной погрешности прибора d (или e с условной границей допустимой относительной погрешности e_у , например 5 %). Если точность измерения недостаточна, приходят к выводу о необходимости увеличения числа измерений.