Метрология, стандартизация и сертификация

Основные функции измерений в строительной индустрии:

учет продукции, исчисляемой по массе, длине, объему, расходу, мощности, энергии и т.д.;

измерения физических величин, технических параметров, характеристик процессов, состава и свойств веществ, проводимые при научных исследованиях, испытании и контроле строительных конструкций, при обследовании зданий и сооружений;

измерения, проводимые для контроля и регулирования технологических процессов, особенно автоматизированных производств.

Метрологическая служба предприятий строительного профиля является одной из структурных частей системы управления качеством строительства, строительных материалов и конструкций; осуществляет свою деятельность в тесном контакте со службами стандартизации, технической инспекции, госприемки и пр.

Основной задачей метрологической службы строительной организации является обеспечение единства и достоверности измерений путем повсеместного соблюдения нормативной документации, технологии и организации строительного производства, внедрения методик измерений, обеспечивающих их оперативность, постоянного контроля за состоянием и применением средств измерений, совершенствования всех форм метрологического обеспечения.

При управлении качеством строительства для обеспечения требуемой точности и высокой надежности контрольно-измерительных испытаний необходимо строгое выполнение следующих условий:

в технической документации должно быть предусмотрено необходимое количество контрольных испытаний с указанием методов и средств измерений, обеспечивающих требуемую точность измерений параметров в зданиях и сооружениях;

все измерительные приборы, применяемые при выполнении контрольных операций, должны поверяться через строго установленные промежутки времени, гарантирующие их точные характеристики в установленных пределах;

для всех применяемых методов измерений должна быть использованы документальные методики с гарантией их адекватности для соответствующих целей, необходимые условия выполнения измерений и способы обработки результатов измерений;

все строительные участки и комплексы должны быть обеспечены необходимыми измерительными приборами;

при выполнении измерительных процессов должны использоваться средства и методы измерений, указанные в технической документации;

измерения должны выполняться квалифицированными работниками, имеющими специальную подготовку.

Несоблюдение хотя бы одного из перечисленных условий приводит к получению неверных или недостаточно надежных результатов с соответствующими последствиями.

Виды измерений и объем контрольно-измерительных операций в строительстве очень велики. Только в строительно-монтажном производстве необходимо измерять и контролировать около шестисот параметров:

линейные - 210;

угловые - 60;

измерения с помощью геодезических приборов - 100;

температурные - 55;

измерения массы, объема - 40;

измерение вибрации, скорости, времени - 25;

механические измерения (силы, твердости, прочности, давления, упругости) - 35;

кинетические (вязкость, текучесть) - 10;

измерение и контроль свойств грунтов - 50;

измерение физико-химических и акустических свойств - 50.

В строительном производстве и промышленности строительных материалов деятельность метрологических служб тесно связаны с технологией.

Структура и численность метрологической службы строительной организации (объединения, треста, ДСК и приравненных к ним организаций) устанавливаются в зависимости от объема и характера СМР, числа эксплуатируемых средств измерений, их загрузки и других определяющих факторов.

Для небольшой строительной организации при незначительном числе контрольных измерений и несложных по выполнению работу по метрологическому обеспечению могут выполнить один -- два человека (ответственные за метрологическое обеспечение). С ростом объемов СМР, усложнением измерительных операций и увеличением их числа увеличивается соответственно численность метрологической службы, расширяются ее функции, что влияет на структуру метрологической службы.

В строительных организациях и на предприятиях рекомендуется создавать отделы метрологии, структура которых определяется для каждого конкретного случая (рис. 3. 2).

Ремонтно-поверочная лаборатория может обслуживать несколько организаций, предприятий и создается на базе организации, имеющей значительный парк средств измерений.

В низовых организациях (СУ, СМУ, ПМК и др.) создаются контрольно-измерительные пункты (КИП) и назначаются ответственные за правильную эксплуатацию и состояние средств измерений.

Рис.3.2 . Структура метрологической службы предприятия.

В особых условиях, например при строительстве линейных сооружений большой протяженности, территориальном разбросе строительных объектов, оказываются полезными передвижные ремонтно-поверочные лаборатории по образцу передвижных строительных лабораторий, которые с целью эффективности могут быть объединены.

Все службы и участки, где имеется измерительная техника, закрепляются за отдельными работниками метрологической службы (группой надзора).

Структуру, показанную на рис.2, не следует рассматривать как общеобязательную, в каждом конкретном случае она может быть усложнена или, наоборот, упрощена. Основным критерием при выборе той или иной структуры и численности метрологической службы следует считать ее экономическую целесообразность,

На метрологическую службу строительной организации в зависимости от ее численности и состава возлагаются следующие обязанности:

-- постоянный анализ метрологического обеспечения строительного производства и разработка предложений и мероприятий по его совершенствованию;

-- разработка и проведение мероприятий по внедрению нормативных документов, регламентирующих нормы точности измерений, характеристика средств измерений, методики их выполнения, методы и средства поверки;

-- проведение метрологической экспертизы проектов стандартов, конструкторской, технологической и другой нормативной документации, разрабатываемой и применяемой в организации;

-- участие в выборе а назначении средств измерении в методик их выполнения для обеспечения контроля и управления технологическими процессами СМР, входного и приемочного контроля;

-- разработка планов внедрения новой измерительной техники и контроль за реализацией этих планов другими службами и подразделениями организации;

-- участие в разработке технических заданий на проектирование и изготовление средств измерений специального назначения, их аттестации и поверке;

-- участие совместно с другими службами организации в анализе причин нарушения технологических процессов, режимов, непроизводительных затрат и других потерь в производстве с целью выявления и устранения этих причин, в том числе связанных с нарушением метрологической дисциплины;

-- организация и обеспечение своевременной поверки средств измерений и их ремонта;

-- определение межповерочных интервалов, составление графиков поверки в согласование их при необходимости с органами Росстандарта;

-- выполнение высокоточных и сложных измерений;

-- изучение эксплуатационных свойств средств измерений, представление материалов по итогам этой работы в головную и базовые организации и местные организации Росстандарта;

-- ведение учета средств измерений, создание и обеспечение работы обменного и прокатного фонда средств измерений и испытаний, участие в определении потребности в средствах измерений, их перераспределении внутри организаций;

-- участие в рабочих комиссиях по аттестации качества продукции;

-- определение технико-экономической эффективности внедрения новых средств, методов измерений и других мероприятий метрологического характера;

-- организация работы по подготовке и повышению квалификации работников организации, связанных с выполнением измерений или использующих их результаты.

В организациях с небольшим парком средств измерений на лиц, отвечающих за метрологическое обеспечение, возлагаются :

— ведение технического учета средств измерений;

— контроль за соблюдением графиков поверок;

— представление средств измерений в ремонт и на проверку.

Кроме отдела главного метролога и лиц, ответственных за метрологическое обеспечение, в структурную схему метрологической службы строительных организаций и предприятий входят следующие подразделения и службы, эксплуатирующие контрольно-измерительные приборы и оборудование:

-- строительные лаборатория (СЛ);

-- геодезическая служба (ГС);

-- отдел (служба) главного энергетика (ОГЭ);

-- отдел (служба) главного механика (ОГМ);

-- отдел (служба) главного технолога (ОГТ);

-- отдел технического контроля (ОТК);

-- контрольно-измерительные пункты (КИП).

Структура и штаты метрологической службы утверждаются применительно к типовым структурам и нормативной численности министерств (ведомств), их организаций и предприятий с учетом характера и объемов работ, возлагаемых на метрологическую службу.

Все отделы и подразделения строительных организаций (должностные лица), эксплуатирующие средства измерений, испытаний и контроля, должны:

-- вести учет находящихся в эксплуатации средств измерения;

-- следить за соблюдением графиков государственной и ведомственной поверки и ремонта средств измерений;

-- представлять главному метрологу рекламации о некачественных средствах измерений и недостатках НД на них;

-- по требованию метрологической службы представлять необходимые материалы и сведения, относящиеся к метрологическому обеспечению;

-- вносить в метрологическую службу предложения о списании пришедших в негодность средств измерений;

-- вносить предложения (заявки) о необходимости разработки, производства, приобретения средств измерений по номенклатуре количеству, а также разработки методов измерений в нормативной документации;

-- приобретать и хранить документы, относящиеся к эксплуатации средств измерений;

-- следить за соответствием применяемых средств измерений нормам точности, изложенным в стандартах и другой нормативной документации;

— подавать заявки в метрологическую службу на проведение высокоточных измерений.

Помимо этих общих обязанностей на отдельные структурные подразделения возлагается:

на строительную лабораторию

-- разработка и совершенствование методов испытаний и лабораторного контроля материалов, изделий, конструкций;

— контроль и учет совместно с ОГТ и ОТК норм расхода материалов;

— проведение опытно-экспериментальных работ, направленных на экономию материалов;

-- проведение работ по внедрению количественных методов определения показателей качества взамен визуальных;

-- сбор сведений по эксплуатационным (потребительским) свойствам строительной продукции и по показателям качества;

на службу главного технолога

-- разработка предложений по обеспечению технологических процессов' средствами контроля;

-- контроль совместно с СЛ и ОТК соблюдения норм расхода материалов и разработка предложений по их экономии;

-- анализ и регулировка технологических процессов в отношения стабильности показателей качества;

-- анализ технологической документации на предмет обеспеченности процессов средствами измерений;

на отдел главного механика

-- своевременный ремонт технологического оборудования;

-- разработка совместно с метрологической службой норм и методов поверки оборудования на технологическую точность;

-- регулирование совместно с ОГТ и МС технологических процессов по результатам контроля;

на службы комплектации

-- своевременное обеспечение организаций средствами измерений организаций и предприятий;

-- участие в списании пришедших в негодность средств измерений.

Плановый отдел обеспечивает финансирование включенных в план работ по метрологическому обеспечению, обучение и повышение квалификации специалистов, занятых на измерительных операциях, которое может проводиться в учебных комбинатах. Расчеты эффективности метрологических мероприятий выполняет лаборатория экономического анализа.

Лекция 4

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

1. Понятие свойства и физической величины

Объектами измерений являются свойства объективных реальностей (тел, веществ, явлений, процессов). Свойство -- это выражение какой-либо стороны вещи или явления. Каждая вещь обладает множеством свойств, в которых проявляется ее качество. Одни свойства существенны, другие несущественны. Изменение существенных свойств равнозначно изменению качественного состояния вещи или явления.

Технологическая деятельность человека связана с измерением различных физических величин.

Физическая величина - это характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Значение физической величины -- это оценка ее величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале. Например, 120 мм -- значение линейной величины; 75 кг -- значение массы тела, НВ190 -- число твердости по Бринеллю.

Различают истинное значение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношении свойства измеряемого объекта, и действительное, найденное экспериментально, но которое достаточно близко к истинному значению физической величины и может быть использовано вместо действительного.

Измерением физической величины называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал: наименования, порядка, интервалов, отношений и абсолютная.

Шкалы наименований характеризуются только отношением эквивалентности. По своей сути она является качественной, не содержит нуля и единицы измерения. Примером такой шкалы является оценка цвета по наименованиям (атласы цветов). Так как каждый цвет имеет множество вариаций, то такое сравнение может выполнить только опытный эксперт, обладающий соответствующими зрительными возможностями.

Шкалы порядка характеризуются отношением эквивалентности и порядка. Для практического использования такой шкалы необходимо установить ряд эталонов. Классификация объектов осуществляется сравнением интенсивности оцениваемого свойства с его эталонным значением. К шкалам порядка относятся, например, шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т. п.

Шкала разностей отличается от шкалы порядка тем, что кроме отношений эквивалентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а величина интервалов устанавливается по согласованию. Характерным примером такой шкалы является шкала интервалов времени. Интервалы времени можно суммировать (вычитать).

Шкалы отношений описывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следовательно, вычитания и умножения. Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицы измерений устанавливаются по согласованию. Для шкалы отношений достаточно одного эталона, чтобы распределить все исследуемые объекты по интенсивности измеряемого свойства. Примером шкалы отношений является шкала массы. Масса двух объектов равна сумме масс каждого из них.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описываемых шкалами отношений). Среди абсолютных шкал выделяются абсолютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Такой величиной является, например, коэффициент полезного действия.

Большинство свойств, которые рассматривают в метрологии, описывается одномерными шкалами. Однако имеются свойства, описание которых может быть выполнено только с применением многомерных шкал. Например, трехмерные шкалы цвета в колориметрии.

Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов и условий их однозначного воспроизведения. Понятие неизменной для любых точек шкалы единицы измерений имеет смысл только для шкал отношений и интервалов (разностей). В шкалах порядка можно говорите только о числах, приписанных конкретным проявлениям свойства. Говорить о том, что такие числа отличаются в такое-то число раз или на столько-то процентов, нельзя. Для шкал отношений и разностей иногда недостаточно установить только единицу измерений. Так, даже для таких величин, как время, температура, сила света (и другие световые величины), которым в Международной системе единиц (SI) соответствуют основные единицы -- секунда, Кельвин и кандела, практические системы измерений опираются также на специальные шкалы. Кроме того, сами единицы SI в ряде случаев базируются на фундаментальных физических константах.

В этой связи можно выделить три вида физических величин, измерение которых осуществляется по различным правилам.

К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа «мягче», «тверже», «теплее», «холоднее» и т. д.

К величинам такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура как степень нагретости тела и т. п.

Существование таких отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты.

Для второго вида физических величин отношение порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров. Так, разности интервалов времени считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками равны.

Третий вид составляют аддитивные физические величины.

Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания. К таким величинам относятся длина, масса, сила тока и т. п. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. Например, сумма масс двух тел -- это масса такого тела, которое уравновешивает на равноплечих весах первые два.

2. Понятие о системе физических величин

Множество физических величин представляют собой некоторую систему, в которой отдельные величины связаны между собой системой уравнений.

Система физических величин -- это совокупность взаимосвязанных физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются функциями независимых величин. Система физических величин содержит основные физические величины, условно принятые в качестве независимых от других величин этой системы, и производные физические величины, определяемые через основные величины этой системы.

Основная физическая величина -- это физическая величина, входящая в систему единиц и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная единица системы единиц -- единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами.

Производная единица называется когерентной, если в этом уравнении числовой коэффициент принят равным единице. Соответственно, система единиц, состоящая из основных единиц и когерентных производных, называется когерентной системой единиц физических величин.

Для каждой физической величины должна быть установлена единица измерения.

Единица физической величины -- физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.

Кроме основных и производных физических величин различают кратные, дольные, когерентные, системные и внесистемные единицы.

Размерность физической величины -- выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, и с коэффициентом пропорциональности, равным единице.

Степени символов основных величин, входящих в одночлен, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными.

Показатель размерности физической величины -- показатель степени, в которую возведена размерность основной физической величины, входящая в размерность производной физической величины.

Размерности широко используют при образовании производных единиц и проверки однородности уравнений. Если все показатели степени размерности равны нулю, то такая физическая величина называется безразмерной. Все относительные величины (отношение одноименных величин) являются безразмерными.

3. Принципы построения Международной системы единиц

Первая система единиц физических величин, хотя она и не являлась еще системой единиц в современном понимании, была принята Национальным собранием Франции в 1791 г. Она включала в себя единицы длины, площади, объема, вместимости и массы, основными из которых были две единицы: метр и килограмм.

Систему единиц как совокупности основных и производных единиц впервые в 1832 г. предложил немецкий ученый К. Гаусс. Он построил систему единиц, где за основу принял единицы длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), и назвал ее абсолютной системой.

С развитием физики и техники появились другие системы единиц физических величин, базирующиеся на метрической основе.Все они были построены по принципу, разработанному Гауссом. Эти системы нашли применение в разных отраслях науки и техники. Разработанные в то время измерительные средства градуированы в соответствующих единицах, находят применение и в настоящее время.

Многообразие единиц измерения физических величин и систем единиц осложняло их применение. Одни и те же уравнения между величинами имели различные коэффициенты пропорциональности. Свойства материалов, процессов выражались различными числовыми значениями. Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц. Комиссия разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Принятая система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (81 -- начальные буквы наименования 8у81ет 1п1егпа1юпа1).

Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте -- единица термодинамической температуры; в оптике -- единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии -- единица количества вещества. Эти семь единиц соответственно: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль -- и выбраны в качестве основных единиц СИ (табл.1).

Единица длины (метр) -- длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Единица массы (килограмм) -- масса, равная массе международного прототипа килограмма.

Единица времени (секунда) -- продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица силы электрического тока (ампер) -- сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2-10'7 Н на каждый метр длины.

Единица термодинамической температуры (Кельвин) -- 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия.

Единица силы света (кандела) -- сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540-Ю12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Единица количества вещества (моль) -- количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

Основные единицы Международной системы имеют удобные для практических целей размеры и широко применяются в соответствующих областях измерений.

Международная система единиц содержит также две дополнительные единицы: для плоского угла -- радиан и для телесного утла -- стерадиан.

Таблица 4.1

Основные единицы СИ

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
			Русское Русское	Международное
Длина	L	метр	М	m
Масса	М	килограмм	кг	kg
Время	Т	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	ампер	А	A
Термодинамическая температура	И	Кельвин	К	K
Сила света	J	кандела	кд	cd
Количество вещества	N	моль	моль	mol
Дополнительные единицы СИ
Плоский угол	-	радиан	рад	rad
Телесный угол	-	стерадиан	ср	sr

Радиан (рад) -- единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57°17'44,8". . Стерадиан (ср) -- единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Телесному углу в 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу р ср -- плоский угол 120°, углу 2рср -- плоский угол 180°. Дополнительные единицы используются только для теоретических расчетов и образования производных единиц, например угловой скорости, углового ускорения. Для измерения углов применяют угловые градусы, минуты и секунды. Приборов для измерения углов в радианах нет.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем угловые единицы нельзя считать и производными, так как они не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.

Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники.

В решениях XI и XII Генеральных конференций по мерам и весам даны 33 производных единицы СИ. Важным принципом, который соблюден в Международной системе единиц, является ее когерентность (согласованность). Так, выбор основных единиц системы обеспечил полную согласованность механических и электрических единиц. Например, ватт -- единица механической мощности (равный джоулю в секунду) равняется мощности, выделяемой электрическим током силой 1 ампер при напряжении 1 вольт. В СИ, подобно другим когерентным системам единиц, коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих производные единицы, равны безразмерной единице.

Когерентные производные единицы Международной системы образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых величины приняты равными единицам СИ.

В Международной системе единиц, как и в других системах единиц физических величин, важную роль играет размерность.

Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных.

Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена.

Размерность не полностью отражает все качественные особенности величин. Встречаются различные величины, имеющие одинаковую размерность. Например, работа и момент силы, сила тока и магнитодвижущая сила и др.

Размерность играет важную роль при проверке правильности сложных расчетных формул в теории подобия и теории размерностей.

Таблица 4.2

Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначение

Множитель	Приставка	Обозначение приставок	Множитель	При-ставка	Обозначение приставок
		Международное Международное	Рус ское			Международное	Русское
1018	экса	Е	Э	10 -1	деци	d	д
1015	пета	Р	П	10 -2	санти	с	с
1012	тера	Т	Т	10 -3	милли	m	м
109	гига	G	Г	10 -6	микро	м	мк
106	мега	М	М	10 -9	нано	n	н
103	кило	k	к	10 -12	пико	p	п
102	Гекто	h	г	10 -15	фемто	f	ф
10'	дека	dа	да	10 -18	атто	а	а

Преимущества Международной системы единиц

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и система образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей (табл. 4.2.);

система СИ является универсальной системой. Она охватывает все области науки, техники и отрасли экономики;

основные и большинство производных единиц СИ имеют удобные для практического применения размеры. В системе разграничены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);

упрощается запись уравнений и формул в различных областях
науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепло
вой, электрической и др.) установлена одна, общая единица -- джоуль.

Лекция №5

ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1. Общие понятия, признаки и классификация эталонов

Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров рабочим средством измерений. Воспроизведение, хранение и передачу размеров единиц осуществляют с помощью эталонов. Эталон является высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений.

Эталон (мерило, образец) - это средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особым правилам и утвержденное в установленном порядке.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения определяются природой физической величины (единица которой воспроизводится) и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений.

Эталон должен обладать следующими существенными признаками: неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность эталона -- свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного периода времени, а все изменения, зависящие от внешних условий (температура,, влажность, давление и т. п.), должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость эталона -- возможность воспроизведения единицы физической величины с наименьшей погрешностью для данного уровня развития измерительной техники.

Сличаемостъ эталона -- возможность обеспечения сличения с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наивысшей точностью для данного уровня развития техники измерений.

Различают следующие виды эталонов: первичный; специальный; государственный; вторичный; эталон-свидетель; эталон-копия; эталон-сравнения; рабочий эталон; международный эталон и др.

Действующий в настоящее время международный стандарт ИСО - 10012 -1-92 дает следующие определения эталонов.

Под первичным эталоном понимается эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью.

Первичные эталоны представляют собой уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные комплексы. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений. Многие первичные эталоны утверждаются в качестве государственных эталонов.

В качестве специального эталона используется эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и служащий для этих условий первичным эталоном.

Государственный эталон единицы величины -- эталон единицы величины, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации.

Совокупность первичных эталонов составляет эталонную базу страны и является основой обеспечения единства измерений. Число эталонов не является постоянным, а изменяется в зависимости от потребностей народного хозяйства страны. Обычно прослеживается увеличение их числа во времени, что обусловлено постоянным развитием рабочих средств измерений.

В качестве вторичного эталона используется эталон, получающий размер единицы путем сличений с первичным эталоном рассматриваемой единицы.

Вторичный эталон является подчиненным по отношению к первичному эталону.

Эталон-свидетель -- вторичный эталон, предназначенный для поверки сохранности и неизменности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. В настоящее время только эталон килограмма имеет эталон-свидетель.

Основное назначение эталона-свидетеля усилить уверенность в постоянстве основного эталона. По существу, с помощью эталона-свидетеля можно лишь констатировать постоянство или изменение отношения между единицами, воспроизводимыми эталоном-свидетелем и первичным эталоном. Можно также с определенной степенью достоверности утверждать, что в случае постоянства этих отношений размеры единиц, воспроизводимых эталонами, остаются неизменными.

Эталон-копия -- это вторичный эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим эталонам. Такие эталоны создаются в случае большого числа поверочных работ с целью предохранения первичного или специального эталона от преждевременного износа. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению и может не всегда являться физической копией государственного эталона. При необходимости эталон-копия может заменить государственный эталон.

Эталон-сравнения -- это вторичный эталон, который применяется для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.

Рабочий эталон -- это вторичный эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, и в отдельных случаях -- наиболее точным рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны являются наиболее распространенными вторичными эталонами.

Международный эталон -- это эталон, принятый по международному соглашению в качестве первичного международного эталона и служащий для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Измерительный эталон - вещественная мера, измерительный прибор, стандартный образец или система, предназначенные для определения, реализации, сохранения или воспроизведения единицы или одного либо нескольких значений величин, в целях передачи их другому измерительному прибору путем сличения.

Международный (измерительный) эталон - эталон, признанный международным соглашением для того, чтобы служить в международном масштабе в качестве основы для установления значений всех других эталонов соответствующей величины.

Национальный эталон - эталон, признанный официальным государственным решением служить в стране в качестве основы для установления значений всех других эталонов соответствующей величины. В нашей стране такой эталон называется государственным.

Национальный государственный эталон в стране часто является первичным, так как он служит для воспроизведения физической величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений.

2. Эталоны единиц физических величин

Международные эталоны единиц хранятся в международном бюро мер и весов (МБМВ), г. Севр, Франция. Эталоны единиц длины, массы и времени с 1741 г., когда французские ученые приняли за единицу длины одну десятимиллионную часть четверти парижского меридиана, прошли эволюционное развитие и в настоящее время каждый эталон - это сложная установка, включающая комплекс средств измерений, оборудования, вспомогательных устройств.

До 1960 г. международный эталон метра был механическим в виде стержня с Х-образным поперечным сечением из платиново-иридиевого сплава. Эталон хранился очень надежно: сначала деревянный футляр, потом металлический, затем сейф, расположенный в длинной комнате - комнате-сейфе. Однако за 70 лет вследствие старения кристаллической решетки сплава эталон вырос на 0,2 мм. Точность механического эталона перестала отвечать запросам практики.

Идея создать с помощью света эталон длины - световой метр родилась еще в конце 19 века, когда разрабатывались законы интерференции света.

В 1960 г. Генеральной конференцией по мерам и весам был принят новый эталон единицы длины - световой метр. Это длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего периоду между уровнями 2Р10 и 5d5 атома криптона-86.

Метр в длинах световых волн воспроизводится с помощью интерференционной установки, содержащей лампу с криптоном-86, интерферометр с фотоэлектрическим микроскопом, рефрактометр для определения показаний преломления воздуха, термометрическую аппаратуру для измерений температуры меры и воздуха. Световой метр в длина световых волн воспроизводится интерференционным методом с помощью излучения в газоразрядной трубке газа - изотопа криптона-86, помещенной в сосуд Дьюара с жидким азотом. Длина волны спектральных линий излучения атомов постоянна, поэтому она используется для измерения единицы длины - метра.

Погрешность воспроизведения светового метра, оцениваемая средним квадратичным отклонением результата измерения, составила 5х10-9. Но и такая погрешность в век космической техники оказалась слишком большой.

Повышение точности эталона длины удалось осуществить при разработке высокостабильных лазеров, что позволило уточнить значение скорости света, равной 299792,458 км/с. В 1983 году Генеральная конференция мер и весов приняла новое определение метра: «метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792,458 доли секунды».

Международным эталоном единицы массы является масса платинового килограмма в форме цилиндрической гири высотой и диаметром 39 мм, хранящегося в Национальном архиве Франции. Для практического использования за международный прототип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. В 1889 г. Генеральной конференцией по мерам и весам международный прототип килограмма был утвержден в качестве единицы массы, и решением этой конференции из 42 изготовленных прототипов килограмма были переданы России платиново-иридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. Прототип № 12 был утвержден в качестве государственного эталона массы, а прототип № 26 используется в качестве вторичного эталона. Эталон № 12 хранится в НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе при поддержании температуры (203)С и относительной влажности 65 %. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. За прошедшие 100 лет со времени создания прототипов 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 рабочих средств измерения).

Эталоны-копии предназначены для передачи размера единицы 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 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

В производстве 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.

Лекция №6

ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И 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.

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.

Таблица 6.1

Классификация измерений

Классификационный признак	Вид измерений
по характеристике точности	равноточные, неравноточные
по числу измерений в ряду измерений	однократные, многократные
по отношению к изменению измеряемой величины	статические, динамические
по метрологическому назначению	технические, метрологические
по выражению результата	абсолютные, относительные
по общим приемам получения результатов измерений	прямые, косвенные, совместные, совокупные

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.

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:

б = 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.