2.3. Основные метрологические характеристики средств измерений

При испытании сооружений и их моделей получение информации о работе изучаемой системы основано на измерении физических величин с помощью технических средств. Достоверность полученных эксперимен­тальных данных зависит от выбранных параметров средств измерений, от того, в какой мере метрологические характеристики средств измерений от­вечают требованиям проводимого эксперимента.

К основным параметрам, характеризующим средства измерения, относятся: статическая градуировочная характеристика, чувствительность измерительного прибора (преобразователя), коэффициент преобразования, порог чувствительности, диапазон измерений, информативность, динами­ческие характеристики – амплитудно - и фазочастотная, переходная, а также время установления показаний.

Вид функции преобразования средства измерений определяет его градуировочная характеристика, устанавливающая зависимость между зна­чениями величины на входе и выходе. Такая зависимость представляется в виде таблицы, формулы или графика (рис.2.1).

Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибо­ра Δ0 к вызывающему его изменению на входе ΔХ - называется чувстви­тельностью прибора S. Если градуировочная характеристика преобразова­теля линейна, то его чувствительность может определяться коэффициен­том преобразования

К_п = 0/Х. Протяженность линейного участка - диапа­зон измерений D_и, - зависит от свойств измерительного прибора и от допус­каемой, т. е. нормированной для данного средства измерения погрешно­сти δ (рис.2.1).

личину. Эти погрешности могут быть обусловлены, например, несоответст­вием между размером базы тензометра и градиентом измеряемой деформа­ции, а также влиянием прибора на исследуемые свойства объекта. Каким бы идеальным ни был тензометр с точки зрения линейности и чувствительности, но помещенный внутрь твердого тела, он в той или иной степени вносит искажение в исследуемое напряженное состояние. Выход­ной сигнал такого тензометра отражает искаженное им деформированное состояние, а не то, что существовало бы в исследуемой области при отсутствии тензометра.

В приведенных примерах причина погрешности полученных ре­зультатов заключена в самом методе измерения. Для анализа методических погрешностей требуется проведение теоретических исследований, а также разработка специальных метрологических приемов и образцовых уст­ройств, которые воспроизводили бы все специфические условия и особен­ности данного измерения.

На работу измерительных приборов оказывают влияние внешние факторы - атмосферные, температурные, электрические помехи и др. В ла­бораторных условиях влияние этих факторов можно снизить до допусти­мых пределов. Суммарная погрешность средства измерения, возникающая при нормальных условиях аттестации прибора (при температуре воздуха 20°С, влажности 60% и др.), называется основной погрешностью. Изменение погрешности преобразователя, вызванное помехами, рассматривается как дополнительная погрешность.

Дополнительные погрешности приводятся обычно в виде коэф­фициентов или функций влияния Ψ( ξ), которые нормируются отдельно для каждого влияющего фактора: температуры, влажности и т. д.

Основная и дополнительная погрешности включают случайные и систематические составляющие.

Случайная составляющая погрешности измерений возникает по неизвестным причинам и проявляется в том, что при повторных измере­ниях постоянной величины получают различные ее значения, т. е. имеет место некоторый разброс значений результатов измерений. Для уменьше­ния случайной составляющей погрешности измерения увеличивают число повторных измерений, статистическая обработка которых позволяет усред­нить полученные результаты и выделить среднее значение случайных от­клонений. Уменьшать случайную составляющую погрешности целесооб­разно до тех пор, пока средняя квадратическая ошибка не окажется значи­тельно меньше величины систематической погрешности. Необходимое число повторных отсчетов можно установить только после оценки суммар­ной систематической погрешности средств измерений.

Систематическую погрешность вызывает неправильно опреде­ленная чувствительность, несовпадение градуировочных характеристик при прямом и обратном ходе (гистерезис) и пр. Систематические погрешности вызывают также постоянно действующие влияющие факторы. В метроло­гии разработаны специальные приемы, позволяющие снизить или исклю­чить из результата измерений ряд систематических погрешностей. К таким приемам относятся:

1) стабилизация параметров средств измерений, т. е. выбор ста­бильных режимов работы прибора, предварительное старение нестабиль­ных элементов и др.;

2) защита прибора от действия влияющих величин или стабилиза­ция значений влияющих величин: гидроизоляция, экранирование магнит­ных полей, надежность источников питания и т. д.;

3) автокомпенсация погрешностей по знаку, что позволяет извест­ную по природе погрешность вводить в результат измерения дважды, но с разными знаками;

4) проведение вспомогательных измерений влияющих величин, что дает возможность при известной функции влияния вносить в результаты измерений поправки.

Широкое применение находит и так называемый способ замеще­ния, заключающийся в том, что в процессе эксперимента вместо измеряе­мой величины производится периодическое подключение образцовой меры. Получаемые при этом отклонения измеренных значений меры от ее дейст­вительной величины характеризуют изменение масштаба преобразования и используются для внесения поправок в результаты измерений.

Указанные приемы исключения систематических погрешностей

Если эксперимент невоспроизводимый, как в случае получения диаграммы деформирования материала, то сама последовательность нагружения не может быть назначена произвольно, поэтому в таком эксперимен­те может быть применен только последовательный план. Однако и здесь при проведении повторных опытов возможна рандомизация условий экспе­римента с целью усреднения влияния внешних неконтролируемых факто­ров или факторов, которые не учитываются принятой математической мо­делью исследуемого явления.

Например, при испытании образцов для получения диаграммы деформирования бетона экспериментатор располагает кубиками четырех типоразмеров. Для сокращения времени проведения эксперимента кубики предполагается испытывать параллельно на четырех прессах разной мощ­ности. При этом известно, что и масштабный фактор, и различие накоплен­ной упругой энергии в системе «образец-машина» оказывают влияние на результаты испытаний. Однако учесть влияние этих факторов не представ­ляется возможным: эксперимент по-прежнему однофакторный и внешние переменные необходимо компенсировать. Рандомизированный план такого эксперимента составляется в зависимости от марки испытательного пресса, типа деформометров и типоразмеров образцов и имеет следующий вид (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Рандомизированный план эксперимента

Марка испыта­тельного пресса	Тип деформометра
	1	II III		IV
	Типоразмер образцов
А	1	2	3	4
В	3	4	1	2
С	2	1	4	3
Д	4	3	2	1

Из таблицы видно, что каждый вариант испытаний встречается только один раз. Построенный план эксперимента называется латинским квадратом.

В рассматриваемом однофакторном эксперименте результаты, полученные для каждой комбинации факторов, необходимо усреднить. Планы подобного типа могут быть использованы и в многофакторном экс­перименте: в сочетании с дисперсионным анализом они позволяют иссле­довать фактическое влияние на результаты испытаний каждого фактора в отдельности.

Многофакторный эксперимент. Если изучаемое явление опи­сывается функцией нескольких независимых переменных, то такой экспе­римент называется многофакторным и при его планировании используют либо факторный план, либо классический план. Классический план строит­ся так, чтобы в каждом опыте варьировалась лишь одна переменная, а значения всех остальных независимых переменных поддерживались на опре­деленном, постоянном уровне. Поочередно варьируя каждую независимую переменную, устанавливают исследуемые зависимости. Например, изучает­ся зависимость механических характеристик материала от температуры

натурных испытаний предпочтение отдается приборам, которые могут быть быстро установлены на объектах, имеющих автономное электрическое пи­тание, достаточно широкий измерительный диапазон. Эти качества дости­гаются в некоторых случаях за счет снижения чувствительности приборов и применения простейших механических преобразователей с визуальным считыванием показаний со шкалы прибора.

При испытании моделей сооружений (обычно в лабораторных ус­ловиях) становится возможным проведение более полных исследований, включающих моделирование различных режимов силовых и температур­ных воздействий, измерение в большом числе точек исследуемых сечений конструкции деформаций, перемещений, температур. В этом случае на мо­дели устанавливаются сотни и тысячи преобразователей различного назна­чения. Поскольку деформации и перемещения элементов моделей во много раз меньше, чем в реальных сооружениях, важнейшими требованиями к средствам измерений становятся их высокая чувствительность и помехоза­щищенность (низкий уровень погрешностей измерений). Установка боль­шого числа приборов выдвигает требования к их минимальной массе и га­баритам, необходимым условием становится высокая скорость регистрации их показаний.

Перечисленными достоинствами обладают современные электри­ческие измерительные преобразователи, применяемые в сочетании с авто­матизированными информационно-вычислительными комплексами.

2.5.1. Измерительные приборы для статических испытаний и область их применения

При испытании строительных конструкций статическими нагруз­ками измеряются как действующая сила, так и основные виды деформаций: прогибы (перемещения), продольные фибровые деформации, углы поворо­та конструкций и ее элементов, сдвиги отдельных элементов конструкции или их волокон относительно друг друга, кроме того, контролируется изме­нение напряженного состояния и свойств самого материала конструкции под действием внешней нагрузки.

При статических испытаниях используют прибор, как с непосред­ственным отсчетом значений измеряемой величины, так и измерительные преобразователи, позволяющие осуществлять измерения дистанционно, что на практике существенно расширяет возможности инженерного экспери­мента. Указанные преобразователи позволяют автоматизировать процесс измерения и регистрации значений контролируемых величин и выполнять измерения в местах, недоступных для приборов с непосредственным отсче­том.

При значительном количестве установленных датчиков и прибо­ров, а также в случае необходимости проведения неоднократных измере­ний, на практике в настоящее время возможно создание следящих элек­тронных систем с автоматическим опросом и автоматической регистрацией показаний приборов с непосредственным вводом исходных данных прово­димых испытаний в ЭВМ и проведением математической обработки полу­ченных результатов.