книги / Современные методы исследования свойств строительных материалов. Ч. 1

применяют для рабочих измерений. С целью повышения точности эталонных средств применяют измерительные преобра­ зователи.

Измерительным прибором называют средство измерения

для получения определенной информации об изучаемой вели­ чине в удобной для исследователя форме. Эти приборы состоят из 2-х основных частей (узлов): воспринимающего сигнал и преобразующего его в показание.

Приборы классифицируют по различным признакам, сре­ ди которых точность измерений, стабильность показаний, чув­ ствительность, предел измерений, способ отчета значения изме­ ряемой величины. По последнему признаку приборы делятся на показывающие и регистрирующие.

Показывающие приборы состоят из шкалы и указателя. Эти приборы дают показания без каких-либо дополнительных операций со стороны исследователя. Стрелочные приборы име­ ют большие погрешности, чем цифровые (механические, элек­ трические и др.). Они фиксируют величину в виде цифр.

Регистрирующие приборы бывают самопишущие и печат­ ные. Самопишущие приборы выдают график измерений. Печат­ ные приборы - в виде цифр на ленте.

Измерительные установки (стенды) представляют собой

систему, состоящую из основных и вспомогательных средств измерений. Они предназначены для измерения одной сложной или нескольких величин. Установки включают в себя приборы и преобразователи. Преобразователи могут быть одно- и много­ ступенчатые для преобразования сигнала до такого уровня, что­ бы можно было зафиксировать величину измерительным меха­ низмом (трансформаторы, электронные усилители и др.). Име­ ются также преобразователи, которые входной сигнал преобра­ зуют, меняя его физическую сущность. Электромеханические преобразуют электрический сигнал на вход, в механический на выходе. Измерительные установки могут вырабатывать также сигналы, удобные не только для снятия результатов, но и обра­ ботки их.

Обычно в строительстве применяются измерительные приборы и установки с фиксацией различных физических ве­ личин.

Отсчетные устройства бывают шкальными, цифровыми

и регистрирующими.

Расстояние в мм между двумя смежными отметками на шкале называют длиной деления шкалы.

Разность между значениями измеряемой величины назы­ вают диапазоном показаний прибора.

Отсчетные устройства характеризуются величиной по­ грешности и точности, стабильностью измерений и чувстви­ тельностью.

Погрешность - важнейшая характеристика прибора. Под

абсолютной погрешностью прибора понимают величину

ряемой величины, определенное более точным методом. Погрешность возникает в случае ряда причин: недоброка­

чественных материалов, комплектующих изделий, неудовлетво­ рительной эксплуатации прибора и др.

Кроме этих систематических погрешностей, возникают случайные обусловленные ошибками отсчета, параллаксом, ва­ риацией и др. Таким образом, необходимо рассматривать не ка­ кие-либо отдельные, а суммарные погрешности приборов.

Часто для оценки погрешностей приборов применяют от­ носительную погрешность:

Ь01 = ± — л 100%

или приведенную погрешность:

где хпр - какое-либо значение шкалы прибора, диапазон измере­

ний, длина шкалы и др.

Диапазоном измерений называют ту часть диапазона по­

казаний прибора, для которой установлена погрешность. Если

шкала прибора измерений изменяется от 0 до N, то в характери­ стике на прибор указывают от 0 до N.

Ряд приборов с нижним пределом измерений 0, имеет большую погрешность в интервале 0-25 % от верхнего предела измерений, т.е. / 4 длины шкалы может давать погрешность, превышающую Ь. Поэтому имеется много приборов без нижне­

го нулевого предела измерений, например, 100-1000 кг/см2 Приборы нельзя перегружать, т.е. верхний предел измере­

ний не нужно превышать нагрузкой. Разность между макси­ мальным и минимальным показателем приборов называют раз­ махом. Если эта величина не постоянная, т.е. если при обратном ходе имеется увеличение или уменьшение хода, то эту разность называют вариацией показаний со.

Другой характеристикой прибора является его чувстви­ тельность, т.е. способность отчитывающего механизма реаги­

ровать на изменение измеряемой величины. Порог чувствитель­

ности - минимальная величина, которую можно зафиксировать.

ную погрешность в %.

Стабильность - это свойство отсчетного прибора обеспе­

чивать постоянство показаний одной и той же величины. В ре­ зультате старения деталей уменьшается стабильность. Стабиль­ ность прибора определяется вариацией показания. Поэтому при установлении стабильности нормируют величину допускаемой вариации СО]. Поскольку вариация принимается с одним знаком, а допускаемая погрешность имеет плюс и минус, то

о)д = 0,5 6,

где Ъ- показания прибора.

На все приборы в той или иной степени действует маг­ нитное поле земли. Поэтому ряд электроизмерительных прибо­ ров должен быть защищен от действия магнитного поля, а также электростатических явлений. В метрологии это две категории защиты I и II.

Поверка средств измерений предусматривает определение

и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Повер­ ка позволяет определить соответствие прибора данному виду испытаний. Поверку осуществляют на различных уровнях: от специальных государственных организаций до низовых звеней.

На высокоточные приборы метрологические организации выдают специальное свидетельство, в котором указывается но­ минальные значения измеряемой величины, класс точности, предельно допустимую погрешность, вариацию измерений. Из­ мерительные приборы поверяют раз в 1-2 года. В период между государственными проводят ведомственную поверку.

Рабочая поверка проводится в низовых звеньях, непосред­ ственно в организациях, проводящих измерения.

Такие проверки проводятся каждым экспериментатором перед началом измерений и наблюдений. В процессе поверки приходиться производить различные операции: определить диа­ пазон измерений, вариации измерений и т.д. В отдельных случа­ ях выполняют регулировку и градуировку средств измерений.

Под регулировкой прибора понимают операции, направ­

ленные на снижение систематических ошибок до величины ме­ нее допустимой погрешности.

Под градуировкой понимают нанесение меток на шкалу

отсчитывающего устройства по заранее известной величине. Ес­ ли шкала равномерная, то градуировка не представляет сложно­ стей.

Наиболее распространенным способом поверки приборов

иоценки его характеристик является способ сравнения.

14.ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Впроцессе проведения эксперимента возникает потреб­ ность проверить соответствие экспериментальных данных тео­ ретическим предпосылкам, т.е. проверить гипотезу исследова­ ния. Проверка экспериментальных данных на адекватность не­ обходима также во всех случаях на стадии теоретико­ экспериментальных исследований.

Методы оценки адекватности основаны на использовании доверительных интервалов, позволяющих с заданной довери­

тельной вероятностью определить искомые значения оценивае­ мого параметра. Суть такой проверки состоит в сопоставлении предполагаемой функции у - f ( x ) с измерениями.

В практике оценки адекватности применяют различные критерии согласия.

Среди таких критериев - критерий Фишера:

„тах(Д,;ДсР)

т1П(Да;Дср)

где Д» - дисперсия адекватности, определяемая по формуле. Критерии Фишера целесообразно применять при малой

выборке:

Д. = - Ц 1 ( * й

п- Ь 1

где хп\ —средние экспериментальные и теоретические изме­ рения (для принятой кривой); п - число измерений; Ъ - число

коэффициентов регрессии искомого или принятого теоретиче­ ского уравнения.

А\ т

Дср = — К * , - * ) 2

ттп п

Функция (уравнения регрессии) считается адекватной при

■^Фр ^ ^Ф, ’

где Л*фт-табличное значение критерия.

Число степеней свободы (q) для числителя и знаменателя

вычисляют по формулам:

q\ = п —Ъ\ q2 = m ( n - \)

при доверительной вероятности р = 0,95.

15. МЕТОДЫ ГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Результаты, полученные в процессе научных исследова­ ний, становятся значимыми для общественности только тогда, когда они в той или иной форме представлены для ознакомле­ ния всем заинтересованным лицам. Форма предоставления ма­ териалов зависит от поставленной для исследования задачи, этапа исследований, полученных результатов, аудитории слуша­ телей или читателей и т.д.

При обработке результатов измерений и наблюдений ши­ роко используют методы графического изображения. Результа­ ты измерений, представленные в табличной форме, не позволя­ ют достаточно наглядно характеризовать закономерности изу­ чаемых процессов. Графическое изображение дает наиболее на­ глядное представление о результатах экспериментов, позволяет лучше понять физическую сущность процесса, установить нали­ чие максимума или минимума функции.

Для графического изображения результатов измерений, как правило, применяют систему прямоугольных координат. Если анализируется графическим методом функция у = Дх), то наносят в системе прямоугольных координат значения х\у\, Х2У2, Х„хп(рис. 20, а, б).

Уг

УI

У:

Рис. 20. Графическое изображение результатов измерений

Точки на графике необходимо соединять плавной линией так, чтобы она по возможности ближе подходила ко всем экспе­ риментальным точкам.

Иногда исследуются явления, для которых в определен­ ных интервалах наблюдается быстрое скачкообразное измене­ ние одной из координат (см. рис. 20, а). Это объясняется сущно­

стью физико-химических процессов, например, фазовыми пре­ вращениями влаги при исследовании примерзающих систем, ра­ диоактивным распадом атомов в процессе исследования радио­ активности и т.д.

Часто при этом графическом изображении результатов экспериментов приходится иметь дело с тремя переменными

=(рис. 21).

Вэтом случае применяют метод разделения переменных. Одной из ве­ личин z в пределах интервала изме­

следить изменение любой переменной величины в функции от других величин при постоянных значениях остальных.

При графическом изображении результатов эксперимен­ тов большую роль играет выбор системы координат или коор­ динатной сетки. Координатные сетки бывают равномерными и неравномерными.

У равномерных координатных сеток ординаты и абсциссы имеют равномерную шкалу. Из неравномерных координатных сеток наиболее распространены полулогарифмические (рис. 22), логарифмические (рис. 23), вероятностные (рис. 24).

Полулогарифмическая сетка имеет равномерную ординату и логарифмическую абсциссу.

Назначение неравномерных сеток различное. В большин­ стве случаев их применяют для более наглядного изображения

функции. Вероятностная сетка применяется: при обработке измерений для оценки их точности, при определении расчетных характеристик (расчетной влажности, расчетных значений мо­ дуля упругости грунта и т.д.).

Вычерчивая расчетные графики, необходимо руково­ дствоваться следующими практическими рекомендациями. В зависимости от числа переменных нужно выбрать координат­ ную сетку и определить вид графика - одна кривая, семейство кривых или серия семейств.

Большое значение приобретает выбор масштаба графика, что связано с размерами чертежа и соответственно с точностью снимаемых с него значений величин. Опыт показывает, что применяемая для вычерчивания графиков миллиметровая бума­ га в пределах размеров 15-20 см дает погрешность ± 0,1-0,2 мм. Таким образом, абсолютная ошибка снимаемых с графика вели­ чин может достигать г = ±0,2 М, где М - принятый масштаб

графика.

Расчетные графики, имеющие максимум (минимум) функций или какой-либо сложный вид, особо тщательно необ­ ходимо вычерчивать в зонах изгиба. На таких участках количе­ ство точек для вычерчивания графика должно быть значительно больше, чем на главных участках.

В некоторых случаях строят номограммы, существенно облегчающие применение для систематических расчетов слож­ ных теоретических и эмпирических формул в определенных пределах изменения величины. Номограммированы могут быть любые алгебраические выражения. В результате сложные мате­ матические выражения можно решить сравнительно просто графическими методами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Вернигорова, В.Н. Современные методы исследования свойств строительных материалов / В.Н. Вернигорова. - М.: АСВ, 2003.

2.Вернигорова, В.Н. Современные химические методы

исследования строительных материалов / В.Н. Вернигорова. -М .: АСВ, 2003.

3.Баталин, Б.С. Методы испытаний, исследований и кон­ троля строительных материалов / Б.С. Баталин; Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004.

4.Волокитин, Г.Г. Физико-химические основы строитель­ ного материаловедения / Г.Г. Волокитин. - М.: АСВ, 2004.

5.Кучеров, В.Г Основы научных исследований / В.Г. Ку­ черов [и др.]. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004.

6.Скогоров, В.П. Практическое пособие по метрологиче­ скому обеспечению стройпроизводетва / В.П. Скогоров. - М.: Стройиздат, 2003.

7.Сидельникова, О.П. Радиационный контроль в строи­ тельной индустрии / О.П. Сидельникова. - М.: АСВ, 2002.

8.Попов, К.И. Оценка качества строительных материалов

/К.И. Попов. - М.: ИНФРАМ, 2004.

Раскопин Сергей Владимирович Кырова Татьяна Александровна

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть 1

Конспект лекций

Редактор и корректор Л.В. Шарлаимова

Лицензия ЛР № 020370

Подписано в печать 8.08.06. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Уел. печ. л. 3,75. Уч.-изд. л. 2,808.

Тираж 150 экз. Заказ № 108.

Издательство Пермского государственного технического университета

Адрес: 614600, Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113, тел. (342) 2-198-033