1
ТЕМА 2. МЕТОДИ І ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ В
БУДІВЕЛЬНІЙ СПРАВІ
2.1. Методи вимірювання в будівельній справі
2.2. Засоби вимірювань
2.3. Метрологічні показники засобів вимірювань
2.4. Метрологічна атестація засобів вимірювань
2.1. Методи вимірювання в будівельній справі
При вимірах доводиться мати справу з різними фізичними величинами: дискретними і безперервними, випадковими і невипадковими, постійними і змінними, залежними і незалежними.
Для точних вимірювань величин у метрології розроблені прийоми використання принципів і засобів вимірювань, застосування яких дозволяє виключити з результатів вимірювань ряд систематичних похибок. Такі загальні прийоми, названі методами вимірювання.
Метод вимірювання – це сукупність прийомів використання принципів
і засобів вимірювань, при яких здійснюється процес вимірювання. У будівництві знаходять застосування різні методи вимірів.
Виміри класифікують за наступними ознаками.
За характером залежності вимірюваної величини від часу вимірювання
методи вимірювань діляться на:
Статистичні – це виміри, у процесі яких вимірювана величина залишається незмінною в часі (наприклад, вимір маси та розмірів тіл).
Динамічні – це виміри, у процесі яких вимірювана величина може мінятися (наприклад, вимір внутрішніх напружень матеріалу при зростанні або зменшенні зовнішнього навантаження, вимір пульсуючого стиску, вібрацій).
За способом отримання результатів вимірювань методи вимірювань
ділять на прямі, непрямі, сукупні і спільні.
При
прямому
вимірі шукане значення величини знаходять безпосередньо з досвідчених даних, наприклад, вимірювання кута кутоміром або вимірювання діаметра штангенциркулем.
Результат непрямих вимірювань отримують на підставі прямих вимірювань величин, пов'язаних з вимірюваною величиною відомою залежністю (визначення об'єму тіла правильної форми за результатами
2 прямих вимірювань його розмірів і відповідного математичного обчислення, визначення щільності матеріалу або міцності при стисненні зразка матеріалу).
Спільниминазивають вироблені одночасно вимірювання двох або декількох неодноіменних величин для знаходження залежності між ними
(визначення модуля пружності бетону, у дослідах вимірюють напругу σ в бетоні при різних значеннях відносної деформації ε).
Сукупними називають вироблені одночасно вимірювання кількох однойменних величин, при яких шукані значення знаходять рішенням системи рівнянь, одержуваних при прямих вимірах різних сполучень цих величин (визначення маси окремих гир набору, коли відома маса однієї з них, шукані маси знаходять за результатами прямих порівнянь мас різних сполучень гир).
За умовами, що визначають точність результату вимірювання,
методи діляться на три класи.
Вимірювання максимально можливої точності, досяжною при
існуючому рівні техніки. До них відносяться в першу чергу еталонні вимірювання, пов'язані з максимально можливою точністю відтворення встановлених одиниць фізичних величин, і, крім того, вимірювання фізичних констант, насамперед універсальних (наприклад, абсолютного значення прискорення вільного падіння). До цього ж класу відносяться і деякі спеціальні вимірювання, що вимагають високої точності.
Контрольно-перевірочні вимірювання, похибка яких з певною ймовірністю не повинна перевищувати деяке задане значення. До них відносяться вимірювання, що виконуються лабораторіями державного нагляду за впровадженням і дотриманням стандартів і станом вимірювальної техніки і заводськими вимірювальними лабораторіями з похибкою заздалегідь заданого значення.
Технічні вимірювання, в яких похибка результату визначається характеристиками засобів вимірювань. Прикладами технічних вимірювань є вимірювання, що виконуються в процесі виробництва на підприємствах, в лабораторіях на підприємствах будівельної індустрії, на щитах розподільних пристроїв електричних станцій.
За способом отримання значень вимірюваних величин розрізняють
такі основні методи вимірювань:
3
Метод безпосередньої оцінки дозволяє отримати значення величини безпосередньо, без будь-яких додаткових дій і без обчислень, найчастіше значення величини визначають безпосередньо за відліковим пристроєм (тиск
– манометром, характеристики струму – амперметром, вольтметром).
Винятком є множення показань на постійну приладу або на ціну поділки.
Метод порівняння з мірою – метод вимірювання, при якому вимірювану величину порівнюють з величиною, що відтворюється мірою.
Існують кілька різновидів методу порівняння:
метод протипоставлення, при якому вимірювана величина і величина, відтворена мірою, одночасно впливають на прилад порівняння;
диференційній метод, при якому вимірювану величину порівнюють з відомою величиною, що відтворюється мірою. Використання цього методу дає можливість отримувати результати з високою точністю навіть при застосуванні порівняно грубих приладів.
Метод співпадіння, при якому різниця між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, визначають, використовуючи збіг позначок шкал або періодичних сигналів (наприклад, при вимірюванні штангенциркулем використовують збіг відміток основної та ноніусної шкал).
Нульовий метод полягає в порівнянні вимірюваної величини з величиною, значення якої заздалегідь відомо. Обидві величини вибирають рівними за розміром, таким чином різниця між ними буде дорівнювати нулю.
Нульовий метод застосовують при зважуванні на будь-яких важільних вагах, коли маса гир підбирається рівною вимірювальній масі. Високі температури вимірюються за допомогою оптичного пірометра, принцип дії якого полягає в порівнянні яскравості нитки розжарювання електролампи з яскравістю вимірюваного фону (полум'я).
При вимірюванні лінійних величин незалежно від розглянутих методів розрізняють контактний і безконтактний методи вимірювань.
За способом вираження результатів вимірювань розрізняють
абсолютні та відносні вимірювання.
Абсолютний вимір заснований на прямих вимірах величини та (або) використанні значень фізичних констант, (наприклад, вимірювання розмірів деталей штангенциркулем або мікрометром; визначення довжини в метрах, сили струму в амперах).
4
При відносних вимірах величину порівнюють з однойменною, що відіграє роль одиниці або прийнятої за вихідну (наприклад, вимірювання відносної вологості повітря, яка визначається як відношення кількості водяної пари в 1 м
3
повітря до кількості водяної пари, яке насичує 1 м
3
повітря при даній температурі).
Істинність вимірювань як пізнавального процесу кількісної та якісної сторони будівельного виробництва та основи управління діяльністю монтажників, характеризує декілька основних факторів вимірів:
- об'єкта вимірювання як фізичної величини, значення якої визначається;
- суб'єкта вимірювання у вигляді вимірювальних приладів, що використовуються виконавцем при вимірах;
- методу вимірювання, що представляє сукупність дій, що становлять сам процес;
- зовнішнього середовища, в якому виконуються вимірювання.
Ці фактори, що діють при конкретних вимірах, характеризують те, що називають умовами вимірювань. У практиці будівництва будівель і споруд умови вимірювань зазвичай регулюються інструкціями, настановами та
іншими документами.
Виміри розрізняють на необхідні, що дають тільки один результат вимірюваної величини, і повторні (додаткові), в результаті яких одержують кілька значень вимірюваної величини. Оцінка точності вимірів може бути проведена тільки за наявності повторних вимірів. З метою контролю й оцінки точності необхідно робити, принаймні, два виміри однієї й тієї ж фізичної величини. Додаткові виміри виконують для контролю правильності отриманих результатів, що дуже важливо, зокрема, при контролі розмірів і форми виготовлених конструкцій і при установці їх в проектне положення.
У процесі зведення будівель і споруд виконують лінійні, кутові, висотні і вертикальні вимірювання.
2.2. Засоби вимірювань
Засіб вимірювання – це технічний пристрій, що використовується при вимірах і має нормовані метрологічні властивості.
Технічні пристрої, призначені для виявлення (індикації) фізичних властивостей, називаються індикаторами (стрілка компаса, лакмусовий папір).
5
За метрологічним призначенням засоби вимірювань поділяються на
зразкові й робочі.
Зразкові призначені для повірки по них інших засобів вимірювань як робітників, так і зразків менш високої точності.
Робочі засоби вимірюваньпризначені для вимірювання розмірів величин, необхідних у різноманітній діяльності людини.
Сутність поділу засобів вимірювань на зразкові та робочі полягає не в конструкції і не в точності, а в їх призначенні.
До засобів вимірювання відносяться:
1. Міри, призначені для відтворення фізичної величини заданого розміру. Розрізняють однозначні і багатозначні міри, а також набори мір
(гирі, лінійні міри, що відтворюють фізичні величини одного розміру – міліметр, сантиметр, метр, кварцові генератори). Міри, які відтворюють фізичні величини одного розміру, називаються однозначними. Багатозначні міри можуть відтворювати ряд розмірів фізичної величини, часто навіть безперервно заповнюють деякий проміжок між визначеними межами.
Найбільш поширеними багатозначними мірами є міліметрова лінійка, варіометр і конденсатор змінної ємності.
Порівняння з мірою виконують за допомогою спеціальних технічних засобів – компараторів (рівноплечі ваги, вимірювальний міст).
2. Вимірювальні перетворювачі – це засоби вимірювань, які перетворюють вимірювальну інформацію в форму, зручну для подальшого перетворення, передачі, зберігання і обробки, але не доступну для безпосереднього сприйняття спостерігачем (термопари, вимірювальні підсилювачі та ін).
Перетворена величина називається вхідною, а результат перетворення – вихідною величиною. Якщо в результаті перетворення фізична природа величини не змінюється, а функція перетворення є лінійною, то перетворювач називається підсилювачем, (підсилювачі напруги, електронні підсилювачі).
За місцем в приладі, перетворювачі діляться на: первинні, до яких підводиться безпосередньо вимірювана фізична величина; передавальні, на виході яких утворюються величини, зручні для їх реєстрації та передачі на відстань; проміжні, що займають в вимірювальному ланцюзі місце після первинних (рис.2.1).
6
Рис.2.1. Перетворення вимірювальної інформації:
1 – чутливий елемент; 2 – первинний перетворювач; 3 – проміжні перетворювачі; 4 – передавальний перетворювач
3. Вимірювальні прилади відносяться до засобів вимірювань, призначених для отримання вимірювальної інформації про величину, що підлягає вимірюванню, у формі, зручній для сприйняття спостерігачем.
Найбільшого поширення набули прилади прямої дії, при використанні яких вимірювана величина піддається ряду послідовних перетворень в одному напрямку, тобто без повернення до вихідної величини. До приладів прямої дії відноситься більшість манометрів, термометрів, амперметрів, вольтметрів.
За способом відліку значень вимірюваних величин прибори діляться на
показуючі, в тому числі аналогові і цифрові, і на реєструючі.
4. Вимірювальні установки. Для вимірювання якої-небудь величини або одночасно декількох величин
іноді буває недостатньо одного вимірювального приладу. У цих випадках створюють цілі комплекси розташованих в одному місці і функціонально об'єднаних один з одним засобів вимірювань (заходів, перетворювачів, вимірювальних приладів і допоміжних засобів), призначених для вироблення сигналу вимірювальної
інформації у формі, зручній для безпосереднього сприйняття спостерігачем.
5. Вимірювальні системи – це засоби та пристрої, територіально роз'єднані і з'єднані каналами зв'язку. Інформація може бути представлена у формі, зручній як для безпосереднього сприйняття, так і для автоматичної обробки, передачі і використання в автоматизованих системах управління.
В будівельній галузі по призначенню засоби вимірювань класифікують на інструменти та прилади для вимірювання кутів, відстаней і перевищень, передачі розбивочних осей і координат крапок з одного горизонту на інший.
Крім того, при монтажі конструкцій застосовують спеціальні контрольно- вимірювальні прилади і вимірювальні інструменти (штангенциркулі,
індикатори годинникового типу, різного типу косинці, рівні).
Крім того, всі прилади можна розділити на стандартні, що випускаються серійно відповідно до затверджених стандартів
і нестандартизовані тобто які не призначені для серійного або масового
7 виробництва.
Засоби вимірювань поділяють також на групи за такими ознаками:
за принципом дії та використанням енергії – механічні, електричні, рідинні, пневматичні, гідравлічні, хімічні, ультразвукові, інфрачервоні, радіоізотопні;
за формою показань – аналогові та цифрові;
за характером відображення – показуючі, самописні, реєструючі,
інтегруючі;
за місцем розташування – щитові, місцеві, дистанційні;
за
габаритами
– мініатюрні, малогабаритні, нормальні та великогабаритні.
Майже кожний засіб вимірювань можна віднести до будь-якої групи.
Наприклад, термометр може бути промисловим, самописним, електричним, щитовим, малогабаритним.
В даний час вітчизняною промисловістю випускається значна кількість нових технічних засобів вимірювань, знання можливостей та експлуатаційних характеристик яких повинно сприяти успішному впровадженню їх в монтажне виробництво.
2.3. Метрологічні показники засобів вимірювань
При виборі засобу вимірювання в залежності від заданої точності виготовлення деталей необхідно враховувати їх метрологічні показники.
Основні метрологічні показники засобів вимірювань.
Довжина поділки шкали – це відстань між серединами двох сусідніх відміток (штрихів, крапок тощо) шкали.
Ціна поділки шкали – це різниця значень величин, що відповідають двом сусіднім позначкам шкали (наприклад, у мікрометра дорівнює 0,01 мм).
Діапазон показань – область значень шкали, що обмежена кінцевим і початковим значеннями шкали, тобто найбільшим і найменшим значеннями вимірюваної величини.
Діапазон вимірювань – область значень вимірюваної величини з нормованими похибками засобів вимірювання, що допускаються.
Межа вимірів – найбільше або найменше значення діапазону вимірів.
Чутливість приладу – відношення зміни сигналу на виході вимірювального приладу до зміни вимірюваної величини (сигналу на вході).
8
Варіація (нестабільність) показань приладу – алгебраїчна різниця між найбільшим і найменшим результатами вимірювань при багаторазовому вимірі однієї і тієї ж величини в незмінних умовах.
Стабільність засобу вимірювань – властивість, що виражає незмінність в часі його метрологічних характеристик (показників).
Похибка виміру – різниця між результатом виміру та істинним
(дійсним) значенням вимірюваної величини.
Метрологічна надійність – це властивість засобів вимірювань зберігати встановлені значення метрологічних характеристик протягом певного часу при нормальних режимах і робочих умовах експлуатації.
Для засобів вимірювань, що використовуються в повсякденній практиці, прийнятий розподіл на класи точності, які дають їх узагальнену метрологічну характеристику.
Вимоги до метрологічних характеристик встановлюються в стандартах на засоби вимірювань конкретного типу.
Класи точності присвоюються засобам вимірювань з урахуванням результатів державних приймальних випробувань. Позначення класів точності наносяться на циферблати, щитки і корпуси засобів вимірювань, наводяться у нормативно-технічних документах. Класи точності можуть позначатися буквами (наприклад, М, С) або римськими цифрами (I, II, III).
2.4. Метрологічна атестація засобів вимірювань
Під метрологічною атестацією розуміютьдослідження засобу вимірювань, що виконується метрологічним органом з метою визначення його метрологічних властивостей і видачі відповідного документа із зазначенням отриманих даних.
За результатами метрологічної атестації засобів вимірювань приписуються певні метрологічні характеристики, визначається можливість застосування його як зразкового або робочого засобу вимірювань. В даний час під метрологічною атестацією звичайно розуміють всебічне дослідження зразкових або нестандартних засобів вимірювань, а також стандартних зразків складу та властивостей речовин і матеріалів.
Нестандартні засоби вимірювань (НЗВ). Встановлено порядок метрологічного забезпечення експлуатації нестандартних засобів вимірювань, який поширюється також на:
- ввезені з-за кордону одиничними екземплярами;
9
- одиничні екземпляри серійних засобів вимірювань, що відрізняються від умов, для яких нормовані їх метрологічні характеристики;
- зразки, що випускаються серійно, в схему і конструкцію яких внесені зміни, що впливають на їх метрологічні характеристики.
Нестандартними можуть бути як робочі, так і зразкові засоби вимірювань.
Завданнями метрологічного забезпечення НЗВ є:
1. Дослідження метрологічних характеристик та встановлення відповідності НЗВ вимогам технічних завдань, або паспорту (проекту) заводу-виробника.
2. Встановлення раціональної номенклатури НЗВ.
3. Забезпечення НЗВ засобами атестації, повірки при їх розробці, виготовленні та експлуатації.
4. Забезпечення постійної придатності НЗВ до застосування за призначенням з нормованою для них точністю.
5. Скорочення термінів і зниження витрат на розробку, виготовлення і експлуатацію.
Науково-методичне керівництво діяльністю підприємств з метрологічного забезпечення НЗВ здійснюють головні і базові організації метрологічної служби міністерств (відомств), метрологічні інститути, центри стандартизації та метрології Держстандарту України. Знову розроблені чи закуплені по імпорту НЗВ допускаються до застосування тільки після їх метрологічної атестації. Якщо існує договір про взаємне визнання результатів атестації засобів вимірювань з країною, з якої імпортується НЗВ, то атестація в Україні може не проводитися.
За розробкою, виготовленням і експлуатацією НЗВ ведеться авторський
і державний (в сферах поширення державного метрологічного контролю і нагляду) нагляд, а також відомчий контроль.