Основы метрологии и стандартизации в строительстве

В условиях ускорения научно-технического прогресса в строительстве особое значение придается унификации строительных конструкций, деталей и узлов, повышению качества изготовления и монтажа строительных конструкций. Решение поставленных задач требует существенного повышения роли метрологии и стандартизации в строительстве.

Метрология -это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Основоположником метрологической службы в России является Д.И. Менделеев. По его инициативе в 1843 году в Санкт-Петербурге была создана Главная палата мер и весов (ныне НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева).

Единство измерений предполагает, что результаты измерений выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Для качественного выполнения процесса измерений и обеспечения требуемой точности показаний измерительных приборов необходимо обеспечить единообразие измерений, т.е. совпадение результатов измерений, производимых в разных местах разными приборами. Выполнение этого условия зависит от уровня и состояния средств измерений в строительной отрасли, их использования, т.е. от метрологического обеспечения.

Под единообразием средств измерений понимают градуировку их в указанных единицах и соответствие нормам их метрологических свойств.

В метрологии рассматривают:

- единицы физических величин и их системы;

- методы и средства измерений;

- общую теорию измерений;

- основы обеспечения единства и единообразия средств измерений;

- эталоны и образцовые средства измерений;

- методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Метрология является научной основой метрологического обеспечения, под которым понимают установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений, обработки полученных результатов, их оценки и представления в нормализованной форме. В узком смысле под метрологическим обеспечением понимают процесс подбора, комплектования и подготовки к работе различных измерительных приборов, необходимых для проведения конкретного испытания. Метрологическое обеспечение включает следующие основные направления:

Измерением называют нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Основное уравнение измерения имеет вид (формула 2.1):

Q = qU, (2.1)

где: Q – значение физической величины;

q – числовое значение величины в принятых единицах;

U – единица физической величины.

В ходе эксперимента получают измеренное значение величины, т.е. значение величины, приближенно соответствующее ее истинному размеру. Следует отметить также истинное значение величины, которое выражает истинный размер величины в данных единицах измерения.

Результаты измерений должны быть сопоставимыми независимо от места, времени и используемых технических средств. Единство измерений достигается тем, что их производят стандартными методами, а результаты выражают в установленных стандартных единицах измеряемых физических величин. В настоящее время национальным органом, который занимается вопросами стандартизации и обеспечением единства измерений, является Федеральное агентство по технологическому регулированию и метрологии – Росстандарт.

Эталоном измерения называют меру или измерительный прибор, предназначенные для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью хранения единицы физической величины в общегосударственном или международном масштабе. Существуют эталоны ньютона, ампера, секунды и других величин. Государственный реестр включает свыше ста первичных и специальных эталонов.

В научно-технической литературе термин «эталон» часто употребляют в широком смысле как образец для сравнения.

Поверка средств измерений – определение метрологическими органами погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению. Различают государственную (производится органами государственной метрологической службы) и ведомственную (производится органами ведомственных метрологических служб) поверку средств измерений.

Метрологическая аттестация средств измерений – исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных. Государственную поверку производят специализированные органы метрологической службы, как правило, после длительного хранения приборов или после их ремонта. Ведомственные поверки производят регулярно перед применением приборов для оценки их работоспособности.

Метрологический надзор – контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом средств измерений. По-верка или аттестация средств измерений сводится к сли-чению рабочих средств измерений с эталоном или об-разцовыми средствами измерений на основании поверочной схемы.

Поверочная схема – утвержденный в определенном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений.

Сущность разделения мер и приборов на рабочие и образцовые лежит не в конструкции и не в точности, а в назначении приборов. Прибор может предназначаться, как правило, или для практических измерений, или для хранения и передачи единиц, т.е. для использования в качестве образцового. Только меры и приборы самой низшей точности не могут быть образцовыми. Образцовые меры и приборы нельзя применять для практических измерений – это одно из основных правил метрологии. Образцовый прибор изолируется и выполняет только функции поверки и градуировки. Не каждую меру и не каждый измерительный прибор можно использовать как образцовые. К образцовым приборам предъявляют более высокие требования в отношении воспроизводимости, стабильности показаний, чем к аналогичным приборам.

Средства поверки – это технические средства, необходимые для осуществления поверки средств измерений в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на методы и средства поверки. Средства поверки включают в себя рабочие эталоны, образцовые средства измерений, в том числе стандартные образцы и образцовые меры, вспомогательные приборы, устройства и материалы, поверочные приспособления.

Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Они состоят из системы мер, измерительных приборов и преобразователей, а также измерительных установок и систем.

Под измерительным прибором понимают средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдения. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением.

Измерение включает следующие элементы: объект измерения, свойства или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу измерения; техническое средство измерения, градуированное в выбранных единицах; метод измерения; регистрирующее устройство, воспринимающее результат измерения; окончательный результат измерения.

Измерения характеризуются рядом параметров:

1) погрешностью измерения – разностью между истинными и измеренными значениями величин;

2) точностью измерения – степенью приближения результатов измерения к истинному значению;

3) достоверностью измерения – вероятностью отклонения измерения от истинного значения;

4) диапазоном измерений – областью значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений;

5) ценой деления шкалы – разностью значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы;

6) пределом измерений – наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений;

7) чувствительностью измерительного прибора – отношением изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Различают три класса измерений:

- особо точные,

- высокоточные,

- технические.

Особо точные – связаны с установлением эталона, высокоточные измерения проводятся при градуировании измерительных систем, а также при проведении измерений в особо ответственных испытаниях. Технические – производят с помощью средств измерений технического класса точности. Применяются в практике испытаний строительных конструкций.

Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями измерений. Погрешности, порожденные несовершенством метода измерений, неточной градуировкой и неправильной установкой измерительной аппаратуры, называют систематическими. Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально.

В настоящее время для устранения систематических погрешностей применяется микропроцессорная техника. Случайные погрешности обусловлены влиянием на результаты измерений неконтролируемых факторов (случайные колебания температуры, вибрация и т. д.). Такие погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений. При измерениях могут возникать грубые ошибки, вызванные неисправностью измерительных систем, ошибками регистратора и т. д. Эти ошибки также могут быть выявлены методами математической статистики.

Стандартизованы методы и средства измерений, предназначенные для определения:

- состава материалов (химического, минерального, фазового);

- структуры материалов (твердого вещества, порового пространства);

- показателей качества, установленных стандартом технических условий на данный материал.

Показатели качества могут быть:

- физическими величинами с соответствующей размерностью, общими в качественном отношении для материалов, но индивидуальными для каждого материала в количественном отношении (плотность, теплопроводность и др.);

- техническими характеристиками, измеряемыми в условных единицах и оцениваемыми по условным шкалам (водонепроницаемость, морозостойкость и т.п.).

Для определения показателей качества применяют физические методы, использующие законы физики и соответствующие количественные зависимости, а также сравнительные методы измерения технических характеристик в условных единицах (циклы замораживания и оттаивания и т.п.). В некоторых случаях удается установить корреляционную связь между физическим и техническим показателями качества материала. Примером является связь между коэффициентом фильтрации воды и маркой по водонепроницаемости бетона. Единицы физических величин, необходимые в строительно-монтажных работах, а также наименования и обозначения единиц устанавливают СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве».

Стандартизация средств измерений возможна лишь после проведения их государственных испытаний. Государственные испытания включают в себя экспертизу технической документации на вновь разрабатываемые средства измерений и их экспериментальное исследование, проводимые органами государственной метрологической службы либо по их поручению. Эти испытания проводят для определения степени соответствия средств измерений установленным нормам, потребностям промышленности и современному уровню развития приборостроения, а также целесообразности их производства. Следует отметить, что иногда стандартизуются методы, которые требуют применения средств измерений, не выпускаемых серийно и не имеющих метрологического обеспечения. В этих случаях стандарт не может считаться внедренным, а результаты его использования не имеют юридической силы.

Проблемы метрологического обеспечения измерений неразрывно связаны с задачами, стоящими перед стандартизацией.

Стандартизация – это установление и применение правил для упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон и, в частности, для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении функциональных условий и требований техники безопасности.

Объектами стандартизации являются конкретная продукция, нормы, требования, методы, термины, обозначения и т. д., имеющие перспективу многократного применения, используемые в науке, технике, строительстве.

В строительстве стандартизации подлежат методы рас-чета и проектирования конструкций и сооружений, требования к материалам и изделиям, допуски на стадии монтажа и строительства конструкций зданий и сооружений, методы испытаний и проведения измерений, методы представления и обработки получаемых результатов измерений и т. д.