Общие сведения о метрологии

Основным видом деятельности в работе строительной лаборатории являются испытания – комплекс измерений показателей качества с использованием необходимых методов и средств. На их основе составляется документация о результатах контроля, содержащая фактическую оценку степени качества строительных материалов, изделий и конструкций.

Система знаний об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, способах достижения требуемой точности результатов составляет предмет науки – метрологии. Основные термины и понятия метрологии, применяемые при лабораторных испытаниях (кроме понятий физической величины, единицы физической величины и значения физической величины, которые рассмотрены в гл. I Учебника), поясняются ниже.

Измерение – это нахождение числовых показателей свойств материала опытным путем. Иногда вместо понятия измерение применяется термин контроль. Контроль заключается в проведении одного или серии измерений и сравнении полученных показателей качества с требованиями стандартов.

Измерения разделяются на прямые и косвенные. Прямое измерение – это экспериментальное сравнение данной величины с другой, принятой за единицу, посредством отсчета по шкале прибора (измерение длины, массы, температуры). Косвенные измерения представляют собой величины, полученные с использованием результатов прямых измерений путем вычислений по известным формулам (определение плотности, прочности и т.п.). В лабораторной практике измерения значений показателей качества проводятся с помощью регламентированных (узаконенных ГОСТ, ТУ) технических приемов и средств.

Технический прием – это определенное действие, предусмотренное методикой испытания материалов, изделий и других объектов стандартизации. Для строительных материалов и изделий и других объектов стандартизации. Для строительных материалов и изделий наиболее характерные методы контроля качества устанавливаются ГОСТ «Общие технические требования», «Технические условия» и «Методы испытаний», причем в стандарте на методы испытаний предусматривается определение тех показателей качества, которые включены в стандарты «Технические требования» и «Технические условия». Только при стандартных испытаниях можно получить объективные и сопоставимые результаты контроля качества строительной продукции и ее соответствие требованиям ГОСТ.

Средства измерений – это различные технические приспособления, применяемые при измерениях. Они подразделяются на меры и измерительные приборы (аппаратуру). Мера – средство для контроля или воспроизведения показателя какого-либо свойства материала. Измерительный прибор – техническое средство получения удобного для наблюдения числового отсчета или сигнала об измерительном процессе. Общие сведения об основных средствах измерений, используемых в строительных лабораториях, приводятся в § 2 и 3 этой главы.

При лабораторных испытаниях качества материалов важнейшее требование предъявляется к единству и точности измерений при соблюдении установленных параметров среды. В процессе каждого испытания выполняются три последовательные операции: проверка и установка технических средств, наблюдение за их показаниями и отсчет, вычисление определяемых показателей из результатов измерений и оценка их погрешностей.

Единство измерений означает, что результаты выражаются в Международной системе единиц (СИ), а погрешности измерений известны с заданной вероятностью Единство измерений необходимо для сопоставления показателей качества аналогичных материалов, полученных в разных местах с помощью различных технических средств.

Точность измерений определяет качество конкретного измерения и отражает степень приближения полученных результатов к истинному значению измеренного показателя. Принято различать истинные и действительные значения показателей качества материалов.

Истинное значение показателя x идеальным образом характеризует то или иное свойство материала. Однако при измерениях истинное значение остается неизвестным из-за того, что невозможно произвести абсолютно точный отсчет.

Действительное значение показателя x_i – это величина, определяемая в практике лабораторных работ экспериментальным путем с допустимой по техническим требованиям погрешностью (ошибкой) измерения. Погрешностью измерения называется отклонение действительного значения показателя от его истинной величины: .

Систематической называется погрешность, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях показателя и возникает по вполне известным причинам (например, смещение шкалы прибора). Она определяется многократными измерениями образцовой меры x_i и вычисляется по формуле

,

где - размер образцовой меры.

Систематическую погрешность можно устранить введение в результат поправки, равной величине с обратным знаком.

Случайной называют такую погрешность, в появлении которой не наблюдается закономерной связи с предыдущими или последующими ошибками. Она вызывается множеством случайных причин, влияние которых на каждое измерение не может быть заранее учтено, а их суммарное действие приводит к разбросу измеренных значений показателя какого-либо свойства. К таким причинам относятся, например, неоднородность структуры материала, нарушения при отборе проб, погрешность показаний прибора. В практике в основном случайная величина характеризуется ее средним арифметическим значением, вычисляемым по формуле

,

где n – число измерений.

Если числовые показатели свойства материала в выборке наблюдались определенное число раз (частота появления признака при испытании) , сумма которых , то среднее арифметическое значений определяют по формуле

,

где - частота появления числового показателя свойства материала .

Однако наиболее важные для практики выводы не могут быть сделаны по среднему значению измеренной величины. Если ряд числовых показателей, полученных при испытании какого-либо свойства материала из двух разных партий, представить на графике в виде кривых распределения (рис. 1.1), то их средние арифметические значения будут равны:

.

Однако разброс результатов испытания в первой партии меньше и их однородность выше, чем во второй. Поэтому возникает необходимость детального изучения закона случайного распределения (рассеивания) измеренного показателя и его оценки путем использования математического аппарата теории вероятностей. В практике лабораторных испытаний строительных материалов распределение числовых показателей какого-либо свойства в большинстве случаев приближается к нормальному. При этом образуется симметричная кривая (рис. 1.1). Это означает равную вероятность появления как больших, так и меньших числовых значений этого показателя относительно среднего арифметического.

 

Рис. 1.1. Кривые нормальных распределений показателя x

в I и II партиях материала

 

Для характеристики степени рассеивания показателя в выборке определяют его среднее квадратическое (стандартное) отклонение

при числе испытаний n >30. Для оценки относительной изменчивости свойств вычисляют коэффициент вариации , стандартное отклонение среднего арифметического и показатель точности измерения :

; ; .

Когда указывается среднее числовое значение случайной погрешности измерения или показателя какого-либо свойства, то оно всегда дается с определенной надежностью (мерой доверия). Надежность результата в серии измерений характеризуется доверительной вероятностью , которая показывает, что истинное значение измеряемой величины x попадает в данный доверительный интервал . При относительно небольшом числе испытаний его вычисляют по формуле

,

где - коэффициент нормированных отклонений (приложение 3).

Надежность находится в пределах от 0 (невозможность получения определенного отсчета или результата) до 1 (достоверный результат). Следовательно, в отдельных измерениях показатель может быть больше или меньше среднего значения.

Расчет статистических характеристик может быть выполнен с использованием программируемых микрокалькуляторов «Электроника» МК-61 и МК-52 (далее ПМК) по программе, приведенной в приложении 10.