Методика измерений характеристик дорожно строительных материалов, аттестация, градуировка, поверка Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 625.861

Ю.Э. ВАСИЛЬЕВ, канд. техн. наук, Московский автомобильно-дорожный технический университет (МАДИ), руководитель органа по сертификации в системе «Мосстройсертфикация»;

И.Б. ЧЕЛПАНОВ, д-р техн. наук, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет;

С.И. ВОЗНЫЙ, генеральный директор ЗАО «Технопласт» (t_plast@mail.ru), Саратовский государственный технический университет; Б.А. МЫРЗАХМЕТОВ, канд. техн. наук, Казахский национальный технический университет (Алматы, Республика Казахстан)

Методика измерений характеристик дорожно-строительных материалов, аттестация, градуировка, поверка

Средства измерений (СИ), в первую очередь измерительные приборы, могут иметь в проблематике испытаний различное значение. Совокупность средств измерений обычно является важнейшей составной частью комплекса испытательного оборудования, она обеспечивает измерение параметров воздействий, создаваемых стендами, и измерение параметров состояния объектов испытаний. Измерение воздействий необходимо, если испытательные стенды имеют недостаточную точность и стабильность, если воздействия значительно изменяются на пути от их источника к испытуемому объекту, если нужно во время испытаний контролировать состояние объекта. Средства измерений могут также быть использованы как датчики обратных связей в цепях автоматического управления стендами.

Такие задачи характерны для средств измерений и испытаний дорожно-строительных материалов, таких как автоматизированные прессы, дуктилометры, пенетрометры, растяжные стенды и другое оборудование. В их состав входят первичные и вторичные измерительные преобразователи, микропроцессорные устройства, специализированное программное обеспечение. Они обладают возможностью самотестирования и самообучения.

Однако средства измерений в других условиях являются сами по себе объектами испытаний. Именно такие задачи рассматриваются ниже. При этом необходимо различать два типа ситуаций.

1. При испытаниях определяются свойства сохраняемости, т. е. отсутствия повреждений или любых необратимых изменений, происходящих в процессе испытаний, и выявляемые только после окончания испытаний. В этих ситуациях СИ по отношению к испытаниям ничем не отличаются от всех других технических средств за исключением необходимости контроля после испытаний.

2. Целью испытаний СИ является определение или контроль точностных, в первую очередь нормируемых (установленных нормативными документами) метрологических характеристик, указывающих на точность этих СИ в самом процессе испытаний. Испытания могут производиться при задании только тех величин, для измерения которых СИ предназначено. Но дополнительно могут задаваться также и другие, «мешающие» воздействия, которые принято называть влияющими факторами. Например, это температура повышенная или пониженная по сравнению с нормальной.

В отношении СИ ведущими являются испытания на воздействия, основные по назначению, например при поверке вольтметра — это напряжение и т. п. в так называемых нормальных условиях, в первую очередь при

температуре, влажности и давлении в узких установленных пределах. Процедуры таких испытаний, подробно расписанные и регламентированные в большом числе метрологических стандартов и других нормативных документов, специфичны именно для метрологии. В метрологии взамен единого понятия испытаний и общетехнических видов (аттестация, сертификация) вводится целая группа специфических понятий и процедур, таких как калибрование, градуирование и поверка. Во всех случаях подразумевается проведение экспериментальных исследований, испытаний, однако первостепенными считаются признаки определенного статуса или уровня, масштаба, области применения, а также вида документального подтверждения.

При аттестации объектами являются единично изготовленные средства измерений или ввозимые в единичных экземплярах из-за границы; испытания при этом относятся к виду определительных. Калибрование предусматривает определительные испытания на уровнях ниже государственного; в последнее десятилетие роль калибрования значительно возросла. Сертификационные испытания, осуществляемые в рамках определенных систем сертификации специально зарегистрированными испытательными лабораториями, могут применяться как к единичным, так и к серийно изготавливаемым средствам измерений, они являются контрольными, поскольку в результате констатируется и документируется сертификатом соответствие определенным требованиям (пунктам) технических условий.

В отношении СИ особое место занимает поверка. Поверка СИ определяется как установление органом государственной метрологической службы или другим официально уполномоченным органом пригодности средств измерений на основании экспериментально определяемых, т. е. определяемых по результатам испытаний, метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. В СССР, а теперь в РФ по традиции права на поверку СИ определенных классов организации должны быть доказаны и документально зарегистрированы. Инициативные испытания типа поверки, конечно, допускаются, но они не могут иметь официальный статус поверки. Все СИ должны проходить поверки после выпуска, затем через определенные документально установленные интервалы времени (межповерочные интервалы), например раз в два года, а кроме того, после ремонта.

Аттестация, градуировка и поверка СИ широко использовались в приборостроении с начала ХХ в., когда большинство приборов было лабораторным. Начиная с

научно-технический и производственный журнал ^с) ^ Г Г ЗуН г! ^ 13

88

май 2010

Поверяемое СИ

Стенд как контрольная мера

Погрешность

поверяемого СИ

Поверяемое СИ Образцовое СИ

Стенд

Погрешность поверяемого СИ

Определение погрешности: а - процедура поверки по образцовой мере; б - поверка по образцовому прибору

б

а

60-гг. прошлого века в СССР в области прикладной метрологии началась жесточайшая регламентация, число только государственных стандартов в специально организованной системе ГСИ (Государственной системе обеспечения единства измерений) исчислялось многими десятками. Основные понятия в этой области, определенную терминосистему на сегодня представляет действующий документ РМГ 29—99 Метрология. Термины и определения, который имеет статус национального стандарта. Он пришел на смену широкоизвестному ГОСТ 16263—70 того же названия. Важно, что некоторые широко употребляемые на практике термины запрещены в метрологии, и наоборот, некоторые обязательные метрологические термины не употребляются никем, кроме профессионалов-метрологов. Например, термин «испытания» в метрологии применяется в очень узком смысле, только в отношении обязательных испытаний, проводимых с целью утверждения типа средств измерений на государственном уровне, и сертификационных испытаний.

Кратко рассмотрим проблематику определения метрологических характеристик, а именно свойств погрешностей независимо от того, осуществляется аттестация, сертификация либо поверка СИ; по-прежнему будем говорить обобщенно об испытаниях. Погрешность определяется как разность между выходным сигналом СИ и действительным значением измеряемой величины. При испытаниях есть две возможности.

1. Действительное значение заключено в устройстве, которое в метрологии называется мерой; это, например мера массы, мера длины, но это может быть стенд или иная установка, воспроизводящие с высокой точностью физическую величину, например угловую скорость или линейное ускорение (одно или несколько значений). Мера должна быть по крайней мере в несколько раз более точной, чем точность испытуемого СИ, при этом отличие выходного сигнала СИ от номинала меры приписывается именно испытуемому СИ. Процедура поверки по образцовой мере сводится к сравнению выходного сигнала СИ с номиналом меры (рис. а). Если мерой является стенд, то к его точности предъявляются высокие требования по точности и стабильности; чтобы это было строго доказано, стенд должен пройти метрологическую аттестацию.

2. Стенд воспроизводит измеряемую величину (напряжение, ускорение и т. д.) с недостаточной точностью, или же документированных доказательств высокой точности не имеется. Тогда параллельно с испытуемым СИ та же воспроизводимая величина измеряется установленным на том же стенде более точным, образцовым или, как еще говорят, эталонным прибором, а разность приписывается испытуемому СИ как его погрешность (рис. б). Такой способ называется поверкой по образцовому прибору, его идея близка к сравнительным испытаниям. В этих случаях вместо высоких требований к точности стендов формулируются высокие требования к эталонным или образцовым приборам. От стенда требуется, чтобы он задавал измеряемую величину в определенном диапазоне.

По результатам поверки, по тому, укладывается ли погрешность в установленное поле допуска, обычно принимается решение: годен или негоден, как обычно при контрольных испытаниях.

Однако в ответственных случаях при аттестации и поверке приходится детально разбираться в структуре погрешностей. Погрешности СИ обычно делят на статические (постоянные при постоянной измеряемой величине) и динамические, изменяющиеся во времени, в первую очередь вследствие изменений измеряемой величины. При статических измерениях погрешность разделяется на систематическую (повторяющуюся при повторных измерениях) и случайную составляющие. Случайная составляющая обычно задается дисперсией. Систематическая составляющая и дисперсия случайной составляющей могут изменяться от экземпляра к экземпляру и по диапазону; при испытаниях могут ставиться задачи изучения и нормирования этих зависимостей. Решения «годен» или «негоден» при поверке принимают по результатам сравнения с допусками систематической и дисперсии случайной составляющей.

В СССР была создана и несколько десятилетий эффективно действовала метрологическая служба, осуществлявшая метрологический надзор, основной функцией которого было проведение поверок всех средств измерений, используемых в различных организациях. Прибор, не прошедший поверку в установленный срок, при отсутствии документального свидетельства о проведенной поверке однозначно, категорически признавали не годным к использованию, а если этот прибор все-таки использовали, результаты могли быть опротестованы. Неповеренные приборы можно было использовать, но только тогда, когда к достоверности результатов не предъявлялись жесткие требования, например для собственных исследовательских испытаний или учебных целей.

Поверки средств измерений классифицируются по видам. Первичная поверка выполняется при выпуске средства измерения после его производства, после ремонта или при поступлении из-за границы. Периодическая поверка выполняется через определенные межповерочные интервалы, которые устанавливаются нормативными документами. При необходимости предусматриваются внеочередные и инспекционные поверки. Были установлены еще другие виды поверок.

В метрологии была создана иерархическая система, в каждой области измерений существовали так называемые поверочные схемы, которые предусматривали определенную дисциплину. Поверочная схема в соответствии с ГОСТ 16263—70 определяется как нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерений. Однако практически понятие поверочной схемы распространяется и на материальные объекты, рабочие средства измерений, эталоны и поверочные установки. В настоящее время поверочные схемы могут быть государствен-

научно-технический и производственный журнал

Ы' ® май 2010 89

ные (их мало) или так называемые локальные, автономные, в масштабах отрасли, региона или даже конкретного предприятия. Поверочные схемы были придуманы для многих видов измерений, к концу 80-х гг. прошлого века часть их была полностью реализована.

В конце 80-х гг. в области измерения геометрических величин существовали и функционировали важные для машиностроения государственные поверочные схемы для средств измерения плоских углов, длин, отклонений от прямолинейности, плоскостности, круглости, шероховатости, толщины покрытий и т. д. В области механических измерений функционировали государственные поверочные схемы для средств измерения твердости в различных шкалах, сил, крутящих моментов, ускорений, в том числе вибрационных, линейных деформаций. Из перечисления видно, что государственными поверочными схемами были охвачены немногие виды измерений, выполняемых в машиностроении и приборостроении, причем выбор видов из общего числа возможных кажется несистематичным. Это объясняется тем, что в действительности это определялось наличием в системе Госстандарта коллективов, способных прорабатывать определенные темы.

Во главе каждой государственной поверочной схемы стоит единственный, национальный или первичный эталон как самый точный из аттестованных, по нему поверяют рассредоточенные по регионам средства измерений первого уровня (они ранее назывались образцовыми первого разряда, но теперь их тоже называют эталонами), далее, ниже, следуют образцовые средства второго разряда, которые могут быть уже во многих крупных организациях и т. д. Отметим, что слово «эталон» французского происхождения, на английский язык это переводят как standard, еще усиливая таким образом значимость этого термина.

В самом низу поверочной схемы располагаются так называемые рабочие средства измерений, которые только и используют в практических измерениях. Переход вниз по уровням поверочных схем, который в метрологии принято называть передачей размера единицы физической величины (метра, килограмма, вольта и т. п.), всегда связан с потерями точности при каждом переходе сверху вниз; эти потери, выражаемые в повышении уровней погрешностей, например в 1,5 или 2 раза, при каждом переходе регламентируют. На самой верхней ступени нужно тщательно аттестовывать эталоны сами по себе (более высоких ступеней нет).

Многие эталоны вместе с государственными поверочными схемами утверждены государственными стандартами. Мнение, что первичные национальные эталоны очень точные, самые точные в мире или в стране, не всегда справедливо. Например, в области ударов и вибраций достаточно давно были утверждены государственные специальные эталоны и поверочные схемы для средств измерения ускорений при ударном движении, для средств измерения виброперемещений, виброскоростей и виброускорений. Погрешности эталонных установок в этих областях имели порядок одного или нескольких процентов, в то время как ряд фирм выпускал измерительные приборы с гораздо более высокими точностными показателями. Однако эталоны отличаются тем, что их заявленные показатели в максимальной степени гарантируются строго обоснованными процедурами аттестации и, когда это возможно, сличением с зарубежными национальными эталонами.

Операции поверки требуют оплаты услуг владельцем средств измерений; это явилось основной причиной того, что с началом реформ в 90-х гг. прошлого века нормальное функционирование государственной метрологической службы в части проведения поверок практически прекратилось. Положение еще осложнилось тем, что система обеспечения единства измерений, единая в

масштабах СССР, развалилась, так как некоторые эталоны оказались за рубежами России, а межгосударственное сотрудничество не вышло на требуемый уровень. Во многих организациях метрологические службы сократились или исчезли вообще. Однако в тех организациях, где гарантирование точности результатов измерений действительно важно (в первую очередь это относится к измерениям в области безопасности жизнедеятельности), метрологические службы выполняют функции поверки. Наряду с этим возросла роль локальных поверочных схем.

Стандартами и традицией допускаются такие виды поверки: комплектная (СИ целиком) и поэлементная (по частям). При поэлементной поверке испытывают определенные части СИ, например датчик, промежуточный преобразователь, АЦП, вычислитель. Комплектная поверка сама по себе хороша тем, что в результате ее проведения получаются сведения об объекте в целом, что в конечном счете и нужно для потребителя. Но она не всегда возможна.

Кроме того, нередко имеет место глубокое естественное разделение, например когда средство измерения представляет собой измерительно-вычислительный комплекс, включающий переменную по составу совокупность большого числа датчиков, сигналы которых через преобразователи по независимым каналам или по общим шинам поступают на входы компьютера. Очевидно, что испытания, с одной стороны, датчиков и, с другой стороны, компьютера целесообразно проводить отдельно. При поэлементной поверке нужно объединять в единый показатель экспериментально определяемые показатели точности отдельных составных частей.

Ключевые слова: испытания, дорожно-строительные материалы, поверка средств измерений, эталон измерения.

A.B. Ушеров-Маршак

БЕТ0Н0ВЕДЕНИЕ

лексикон

М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2009. 112 с.

Издание подготовлено в виде толкового словаря, ориентированного на формирование понятийно-терминологического аппарата бетоноведения - одной из динамично развивающихся, сложных и специфических областей материаловедения. Учтены тенденции международной интеграции науки о бетоне и его технологии.

«Бетоноведение: лексикон» содержит более 650 терминов и понятий, 150 аббревиатур международно признанных словосочетаний, наиболее часто употребляемых в профессиональной научно-технической литературе и нормативных документах. Особенность издания состоит в насыщенности информацией физико- и коллоидно-химического характера в связи с возрастающей ролью этих знаний при обосновании составов, структур, свойств, технологических процессов получения и службы бетона.

Издание рассчитано на широкий круг представителей науки, образования, в том числе учащихся вузов и колледжей, практики строительной сферы.

Цена 1 экз. без почтовых услуг 250 р., НДС не облагается Книгу можно заказать с сайта издательства

www.rifsm.ru

Тел./факс: (495} 976-20-36, 976-22-08 e-mail: mail@rifsm.ru

Подписано в печать 26.05.2010 Отпечатано в ЗАО «СОРМ» Свидетельство о регистрации

Формат 60x8818 Москва, 1-й Варшавский пр-д, д. 1а ПИ №77-13557

Бумага «Пауэр» Набрано и сверстано в РИФ «Стройматериалы»

Печать офсетная В розницу цена договорная Верстка Д. Алексеев, А. Комаров, Н. Молоканова Общий тираж 3500 экз.