Методичка: Метрология, стандартизация и сертификация

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 Δx измеряемой величины х будет равна

где Δм - относительная (отнесенная к номинальному значению меры xм) погрешность калибровки меры; Δи - инструментальная погрешность прибора (а = х - хм).

При малых а влияние Δи 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.

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.

. 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.

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.

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 измерения

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

          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.

          Предельные технические и метрологические характеристики средств измерений должны быть существенно выше максимальных требований, предъявляемых сегодня строительством и промышленностью строительных материалов.

. Основные виды погрешностей измерения.

          Говоря о точности, мы всегда подразумеваем неточности, которые принято называть погрешностями измерений. Стремясь повысить точность результата измерения, мы стремимся уменьшить его неточности, погрешности, как можно ближе подойти к истинному значению измеряемой величины.

          Причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения. Эти погрешности являются следствием многих причин: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, недостаточная тщательность проведения и обработки результатов измерений вследствие недостаточного профессионализма наблюдателя, а также его органов чувств, воздействие внешних влияний, переменных и постоянных.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. На практике всегда имеют дело с оценкой погрешности измерений с некоторой доверительной вероятностью, так как истинное значение величины определить невозможно. Погрешность измерения может быть представлена в виде: абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины, или в виде относительной погрешности. Абсолютная погрешность результата измерения - это алгебраическая разность между полученными при измерении и истинным значением искомой величины. Абсолютная погрешность обычно выражается в единицах измеряемой величины.

По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают погрешности:

аддитивные, погрешности, не зависящие от измеряемой величины;

мультипликативные, которые прямопропорциональны измеряемой величине;

нелинейные, погрешности, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.

Эти погрешности применяют в основном для описания мерологических характеристик средств измерений.

          Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Относительную погрешность обычно выражают в процентах или в относительных величинах. Понятие относительной погрешности применимо для величин, описываемых шкалами отношений и разностей.

По влиянию на результаты измерений различают:

·   систематическую погрешность - составляющую погрешности измерения, остающуюся постоянной или закономерно изменяющуюся при повторном измерении одной и той же величины. Систематическую погрешность обычно устраняют путем введения поправок, которые делаются на основе таблиц, составленного для каждого измерительного прибора с использованием рабочих средств измерений;

·   случайную погрешность - составляющую погрешности измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайную погрешность прибора предсказать невозможно, ее определяют и учитывают статистическими методами;

·   грубую погрешность - погрешность измерения, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях погрешность. К грубым погрешностям относятся промахи - погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчетом показаний или ошибками при записи результатов, т.е. промахи чаще всего - результат субъективной погрешности (ошибки).

По причине возникновения погрешности разделяются на инструментальные, методические и субъективные.

          Инструментальная (приборная, аппаратная) погрешность средства измерения определяется несовершенством средств измерений, конструктивно-технологическими особенностями средства измерения, влиянием внешних условий.

Инструментальные погрешности могут быть систематическими и случайными. Этот вид погрешности является одним из наиболее существенных составляющих погрешности. Инструментальные погрешности, являющиеся следствием износа, старения или неисправности средств измерений, называются прогрессирующими систематическими погрешностями. Как правило, они измеряются закономерно, возрастая со временем эксплуатации средств измерений.

          Методическая погрешность заложена в методе, т.е. в теоретической основе измерений. В большинстве случаев эти погрешности относятся к систематическим.

          Субъективная погрешность возникает вследствие индивидуальных особенностей операторов, производящих измерения (квалификация, степень внимательности, сосредоточенности). Одной из причин субъективной погрешности является параллакс - это кажущееся смещение объекта, вызванное изменением точки наблюдения; например, отсчет при наблюдении левым и правым глазом. Чаще всего субъективные погрешности относятся к случайным, но некоторые из них могут быть систематическими.

Рис.7.1. Статистическая (Dст) погрешность и динамическая (D~); t - время измерения физической величины х.

По характеру изменения физической величины погрешности средства измерения разделяются на статические и динамические.

          Статическая погрешность - когда измеряемая величина за время измерения не изменяется (рис.7.1,а). Абсолютная погрешность в этом случае также остается постоянной.

          Динамическая погрешность возникает преимущественно в том случае, если прибор не успевает реагировать на изменения входного сигнала. Этот вид погрешности представляется разностью между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статистической погрешностью в данный момент измерения (рис.7.1,б).

. Погрешности средств измерений

Погрешность средства измерений - разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Для меры роль показания выполняет ее номинальное или паспортное значение. Для рабочего средства измерения за действительное значение измеряемой величины принимают показание образцового средства измерений, для образцового средства измерений - значение, полученное с помощью эталона. Погрешности средства измерений различаются: по характеру проявления - систематические и случайные; по способу выражения - абсолютные, относительные, приведенные (относительные погрешности, отнесенные к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона, например, к последнему делению шкалы стрелочного прибора); по отношению к условиям применения - основные и дополнительные. Основная погрешность - погрешность при проведении измерений в нормальных условиях, дополнительная - изменение значения погрешности из-за воздействия влияющих величин при отклонении условий проведения измерений от нормальных. Погрешность измерения при проведении поверки средства измерений называется погрешностью поверки.