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 погрешностиприводятся 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 погрешностьвызывает 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

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

В рассматриваемом однофакторном экспериментерезультаты, 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.

2.5.2. Силоизмерительные приборы

При испытании строительных конструкций статическими нагруз­ками, создаваемыми грузовыми механизмами - домкратами, лебедками, талями или талрепами; измерение интенсивности нагрузки осуществляют динамометрами.На практике различают два вида динамометров ста­ционарные и переносные.

Стационарные динамометры применяют в основном для поверки рабочих переносных динамометров. Указанные динамометры называются образцовыми. Образцовые динамометры должны иметь государственное свидетельство с таблицей зависимостей между нагрузками и показаниями индикатора для нескольких реперных точек.

По конструктивным особенностям рабочие динамометры подраз­деляются на пружинные, гидравлические и электрические. В зависимости от способа регистрации измеряемой силы различают динамометры со стре­лочным указателем, со счетным приспособлением и записывающие.

Динамометры со стрелочным указателем используют, главным об­разом, для измерения статических усилий, а счетно-регистрирующие и за­писывающие - для переменных усилий. Динамометры, имеющие записы­вающие устройства, называются динамографами. Конструктивные особен­ности образцовых пружинных динамометров, гидравлических и электри­ческих представлены на рис.2.5, 2.6, 2.7.

В последнее время все шире стали применяться электромеханиче­ские динамометры с тензорезисторной измерительной системой, представ­ленной на рис.2.7.

Рассмотренные динамометры обладают очень высокой чувстви­тельностью, широким диапазоном измеряемых усилий. Одновременно они очень компактны по размерам и сопрягаемы с существующей вычисли­тельной техникой, позволяющей автоматизировать все операции, связанные с измерениями и обработкой получаемых результатов.

2.5.3. Приборы для линейных измерений

Диапазон и требуемая точность измерений. При испытаниях де­ревянных конструкций, в особенности большепролетных, приходится изме­рять перемещения порядка нескольких сантиметров. Перемещения различ­ных точек металлических конструкций колеблются в зависимости от разме­ров испытываемого объектов - от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Наиболее жесткими являются железобетонные конструкции, где перемещения относительно не большие.

Особенно повышенные требования предъявляются при наблюде­нии за характером затухания приращения перемещений во времени в ходе выдерживания нагрузки. В большинстве случаев при этом необходимы из­мерения с точностью: порядка миллиметра - для деревянных конструкций; десятых и сотых миллиметра - для металлических конструкций; а в отдель­ных случаях и даже тысячных миллиметра - для железобетонных несущих и ограждающих конструкций.

Для удовлетворения всех этих требований и достижения макси­мальной объективности и достоверности выполненных измерений на прак­тике необходимы приборы с высокими метрологическими характеристика­ми.

Прогибомеры.Приборы для измерения перемещений называют прогибомерами. В зависимости от назначения прогибомеры могут иметь различную конструкцию. В одних случаях это могут быть простей­шие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строи­тельных конструкций с точностью не выше 0,1... 1 мм.

При больших перемещениях такая точность бывает достаточной. В других случаях, когда требуется высокая точность измерений, достигающая 0,01мм и выше, используются более чувствительные приборы со сложными измерительными устройствами.

Рассмотрим элементарные прогибомеры.

К наиболее простым (элементарным) прогибомерам относится уст­ройство, представляющее собой две планки, одна из которых закреплена на железобетонном основании, а другая - на конструкции. По взаимному сме­щению планок судят о деформации конструкции.

Точность измерений таким устройством, как правило, невысокая, но если металлические планки тщательно выполнены и сопряжены между собой, прочно закреплены и снабжены нониусным устройством, то точ­ность измерений можно довести до 0,!мм (рис. 2.8, а).

Для измерения деформаций и перемещений с точностью до 0,1..,0,2 мм применяют рычажные прогибомеры. При этом перемеще­ние одного плеча рычага равно перемещению конструкции, а перемещение другого плеча, фиксируемое на рабочей шкале, в К раз больше (рис. 2.8, б, в). Недостаток таких элементарных приборов связан с тем, что они имеют небольшое увеличение

и одновременно в системе возможны различные люфты и неточности в соотношении плеч.

В прогибомере Емельянова(рис.2.10) передача вращения осуще­ствляется с помощью шестерен. При этом шкив шестерен и стрелки нахо­дятся в параллельных плоскостях. По одной шкале отмечаются целые мил­лиметры, по другой - до 0,01мм. При этом диапазон измерений в одном приборе также неограничен. Люфт зубчатого соединения устраняется с по­мощью пружины разворачивающей шестерни в противоположные стороны.

У прогибомера Аистова(рис.2.11) принципиальная кинематиче­ская схема практически аналогична предыдущей схеме. Однако используе­мые в ней некоторые усовершенствования позволяют одновременно на трех рабочих шкалах оценивать перемещения испытываемой конструкции со следующей точностью: на первой до 1 см (полный поворот равен 10 см), на второй - до 1мм (полный поворот равен 10 мм), на третьей - до 0,01 мм (полный поворот равен I мм).

1. При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.2.12, а (прибор внизу) и схема на рис.2.12, б (прибор наверху). Для учета влияния осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при от­сутствии быстрого её течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь (рис.2.12, в), к которому предварительно прикрепляется нижний конец со­единительной нити (проволоки).

2. При недоступности или большом расстоянии до неподвижных точек, а также с целью исключения влияния осадок опор на практике доста­точно часто применяют систему шпренгелей. В частности, на рис.2.13, а показан подвешенный проволочный шпренгель, который оттягивается вниз вертикальной проволокой с пружиной, обеспечивающей практическое по­стоянство натяжения шпренгеля и тем самым требуемую неподвижность точки крепления рабочей проволоки 4 и прогибомера 3.

На рис.2.13, б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным грузом, а на рис.2.13, в видно, как постоянство натяжения шпренгеля обес­печивается пружиной, соединяющей его вершину с верхним поясом испы­тываемой балки.

Пример установки прогибомеров для измерения горизонтальных перемещений испытываемого объекта приведен на рис.2.14.

Одновременно следует отметить, что на результаты измерений пе­ремещений, с помощью рассмотренных прогибомеров значительное влия­ние оказывает изменение длины проволоки в зависимости от температуры воздуха и нагрева её лучами солнца. Так, стальная проволока длиной I метр при повышении температуры на 10°С удлиняется более чем на 1 мм, что должно тщательно учитываться при обработке результатов проведенных испытаний.

Индикаторы (мессуры). Для измерения небольших по абсолют­ной величине перемещений применяют индикаторы часового типа, которые устанавливаются на неподвижной опоре с упором подвижного измеритель­ного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испыты­ваемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо непод-

Индикатор часового типа (рис.2.15) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размешена вся кинематическая система прибора. На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0,0! мм, либо 0,001мм. Для отсчета целых оборотов большой стрелки индикатора преду­сматривается вторая малая шкала со стрелкой.

Схемы установки индикаторов часового типа для испытаний строи­тельных конструкций могут быть идентичны ранее описанным схемам ус­тановки обычных прогибомеров с проволочной связью.

При больших расстояниях между индикаторами и точками упора ме­жду ними помещают жесткие соединительные элементы, например легкие штанги (рис.2.16). Наличие подобного рода буферных элементов связано, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок измере­ний в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных смеще­ний и обмятий в дополнительных соединениях, коробления деревянных реек, изменения длины связующих металлических элементов при перемен­ной температуре и т.д.

Возможны колебания также буферных реек при порывах ветра, что делает более целесообразным применение проволочной связи с индикато­ром по схеме, представленной на рис.2.16.

Электромеханические измерители перемещений. В настоящее время существует большое количество электромеханических систем изме­рений, позволяющих преобразовать механические перемещения в электри­ческие сигналы, усиливаемые и передаваемые на любые расстояния от мес­та проведения статических испытаний строительных конструкций. Указан­ные системы сопрягаемы с любой вычислительной техникой, что позволяет обрабатывать полученные сигналы по запланированной программе и одно­временно управлять проводимыми экспериментами.

В частности, к подобным измерителям перемещений относятся различные конструктивные решения, основанные на преобразовании меха­нических перемещений в изменение их емкости, либо индуктивности или электрического сопротивления. Все вышеперечисленные системы преобра­зования относятся к пассивным.

Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний существуют и активные системы преобразования, основанные на генериро­вании непосредственно самим преобразователем электрических сигналов. Подобные системы используются в так называемых "следящих" системах, называемых сельсинами,

Сельсины - это генераторные электрические устройства для синхрон­ной передачи углов поворота. При этом запись либо углов поворота, либо линейных перемещений на регистрирующем приборе можно проводить с заданным увеличением, в отличие от обычного классического механическо­го прогибомера.

с увеличением и несколько тысяч раз и базой до 2 мм, используемых при измерениях, например, в зонах концентрации напряжений.

2. Электромеханические тензометры

Наиболее распространенными в настоящее время среди указан­ных тензометров нашли электромеханические тензометры Аистова (рис.2.23).

Рис. 2.23. Кинематическая схема электромеханического тензометра: I - основание тензометра; 2 - направляющая; 3 - нижняя база тензометра; 4 - опор­ный нож; 5 - винт фиксирующий; 6 - верхняя база тензометра; 7 - электрические клеммы; 8 - микрометрический винт; 9 - счетчик оборотов лимба; 10 - система крепления счетчика;11 - муфта микрометрического винта; 12 - натяжная гайка; 13 - указатель отсчетов; 14 -лимб; 15 - перо; 16 - вилка; 17 - подвижная призма; 18 - испытываемая конструкция

Корпус тензометра состоит из стойки и основания. Стойка прибо­ра разделена электроизоляционной прокладкой на две части 3 и 6. К ниж­ней поверхности основания 1 прикреплена направляющая 2, по которой при настройке прибора на нужную базу перемещается опорный нож 4. Фикса­ция ножа на направляющей производится винтом 5.

На противоположном конце основания имеется вилка 16, в гнездо которой входит подвижная призма 17, жестко соединенная с пером 15. В верхней части 7 стойки прибора находится муфта 11, через которую прохо­дит микрометрический винт 8 с укрепленным на нем лимбом 14. Конец винта, обращенного к перу, имеет форму конуса.

С левой стороны на муфте находится кронштейн с указателем (индексом) отсчетов 13 и счетчик 9 регистрации оборотов лимба. Стержень счетчика оборотов упирается в торец микрометрического винта. С правой стороны на муфте имеется натяжная гайка 12, служащая, как и у клиномет­ра Аистова, для устранения люфта между муфтой и винтом. Провода от источника питания подсоединяются к клеммам 7.

Тензометр крепится к исследуемому изделию струбциной. Методи­ка снятия отсчетов с тензометра Аистова такая же, как и с электромехани­ческого клинометра.