Основи методики експериментального дослідження

Експеримент - один із найбільш важливих, а в ряді випадків і найбільш трудомісткий етап наукового дослідження. У залежності від складності досліджуваного процесу або явища та заданих строків виконання роботи цілі експериментального дослідження можуть бути різними. У ряді випадків ціль експериментального дослідження - встановлення фізичної природи явища, механізму досліджуваного процесу, виявлення відповідних закономірностей, пізнання яких при відповідних абстрактних узагальненнях - основа для розробки відповідної математичної моделі, побудови теорії. В таких випадках говорять про постановку пошукових експериментів. Метою експерименту може бути оцінка придатності прийнятих при теоретичному дослідженні допущень, встановлення точності та області застосування теоретичних розробок, пошук рішення поставленого завдання при відсутності теоретичних розробок. Використовують це тоді, коли таке рішення єєдино можливим. Трудоємність таких експериментальних досліджень найбільш висока.

Експеримент - це науково поставлений дослід, ціль якого вивчення явища в точно визначених умовах із застосуванням комплексу різноманітного устаткування і вимірювальних засобів. Незважаючи на те, що тип і умови дослідження можуть бути різними, його встановленню властива визначена спільність. В залежності від умов проведення дослідження розрізняють лабораторні, польові та виробничі (експлуатаційні) експерименти.

Лабораторні експерименти проводять у випадках, коли необхідні висока відтворюваність умов постановки дослідів, виключення впливу різного виду випадкових впливів і перешкод, одержання досить точних результатів при малій кількості дослідів. Такого роду експерименти в більшості випадків проводять із моделями машин, робочих органів, середовищ.

Польові експерименти, як правило, проводять із натурними зразками машин для оцінки їхніх основних параметрів, що визначають технічну характеристику машин. Такого роду експерименти наближаються до реальних умов експлуатації машин, однак не повністю відтворюють їх.

Виробничі (експлуатаційні) експерименти - проводять шляхом інструментальних спостережень без втручання в процеси, що відбуваються безпосередньо зараз, без зміни їх умов. Такі експерименти служать для оцінки експлуатаційних властивостей досліджуваних об'єктів. Виробничі експерименти найбільш тривалі й трудомісткі.

Методика експерименту - це сукупність положень, що визначають постановку й послідовність виконання досліджень. Вона містить в собі наступні основні етапи: формулювання цілей і завдань дослідження, вибір об'єктів досліджень і умов постановки дослідів, розробку програми експериментів та послідовності їх проведення, вибір необхідного устаткування й вимірювальних засобів з урахуванням необхідної точності одержання результатів, постановку дослідів, обробку і аналіз отриманих даних.

Один із найбільш важливих етапів - вибір цілей і завдань експерименту. Основою цьому служать висновки за результатами аналізу стану питання по темі дослідження, припущення про досліджувані закономірності досліджуваного процесу або явища, результати теоретичних розробок. Крім цілей і задач методика експерименту містить вибір об'єкта дослідження, умов постановки дослідів, числа варіативних факторів, обґрунтування прийнятих засобів вимірів і використовуваного устаткування, програми експерименту, опис послідовності проведення дослідів, обробки та аналізу результатів. У відповідності з цілями експерименту об'єкт дослідження може вивчатися на моделях чи на натурних установках і машинах, в штучно створених чи реальних середовищах, що визначає умови постановки дослідів.

Варіативні фактори вибирають виходячи із аналізу ступеня впливу тих чи інших параметрів на досліджуваний процес. Основою для цього є результат раніше виконаних експериментальних і теоретичних розробок, припущення про характер досліджуваного процесу, розроблені аналітичні моделі. Іноді для цього здійснюють постановку пошукових експериментів.

У відповідності з умовами дослідів, вибраними факторами, характером досліджуваного процесу, явища підбирають устаткування, вимірювальні засоби.

Під устаткуванням розуміють різного типу установки, стенди, пристосування для монтажу вимірювальних засобів. У деяких випадках такі пристрої доводиться проектувати і виготовляти у відповідності з цілями та задачами дослідження. При виборі засобів вимірювань досліджуваних факторів насамперед варто орієнтуватися на прилади і пристрої, що випускають серійно, робота яких визначена відповідними інструкціями, стандартами або іншими документами. Якщо вони відсутні або не повною мірою задовольняють умови постановки дослідів, конструюють і виготовляють засоби вимірів, що спеціально призначені для проведеного дослідження. В таких випадках варто максимально уніфікувати їх з існуючими засобами вимірювань. При виборі засобів вимірювань досить важливе питання - їхня точність. Чим вища точність прийнятих засобів вимірювань, тим менше число дослідів і нижча трудомісткість дослідження.

Програмою експерименту встановлюється число дослідів, їх повторюваність. При невеликому числі (не більше двох - трьох) можлива постановка класичного експерименту. В цьому випадку послідовно вивчають процес в залежності від якогось одного фактору при постійних інших. Потім здійснюють постановку дослідів при іншому змінному факторі й т.д. Число дослідів в цьому випадку визначається кількістю варіативних факторів, числом рівнів, на яких встановлюються значення кожного фактору, і повторністю дослідів. Повторність дослідів - мінімальна кількість вимірів при даних значеннях факторів, що обумовлена заданою точністю та надійністю результатів вимірів. При великому числі варіативних факторів програму експерименту доцільно встановлювати відповідно до теорії математичного планування експерименту, що суттєво скорочує трудомісткість досліду.

В методиці проведення експерименту необхідно ретельно описати характер і послідовність операцій, здійснюваних при постановці дослідів, способи контролю умов експерименту. Тут же розроблюються форми журналів, актів випробувань, в які вносяться дата і час постановки дослідів, результати випробувань та спостережень, приводиться опис характерних фізичних явищ, можливі відхилення від умов проведення дослідів. В ряді випадків розраховують строки й витрати на проведення експерименту.

Методика експерименту містить опис використовуваних методів обробки й аналізу дослідних даних, зіставлення їх із результатами теоретичних розробок. Застосовувані методи повинні забезпечувати точність і надійність отриманої інформації, її адекватність досліджуваному процесу, передбачувати оцінку розбіжності між результатами розрахунків та експерименту.

Складена методика експерименту - це документ, що підлягає апробації і обговоренню в науковому колективі, затвердженню керівником, що може викликати її певне коректування. Коли апріорної інформації про досліджуваний процес мало, таке коректування необхідне і в ході постановки дослідів. Будь - які відступи від методики, її коректування повинні бути ретельно проаналізовані.

Фізичне моделювання, як правило, застосовують при постановці лабораторних експериментів, що дозволяє істотно зменшити витрати на їхнє проведення. Цим методом можна знайти також рішення задач, коли досліджуване явище настільки складне, що не вдається скласти для нього задовільну математичну модель, або рішення сформульованої задачі зустрічає непереборні математичні труднощі.

При фізичному моделюванні зберігається фізична природа явищ і змінюється тільки його масштаб. Дослідження моделей, однак, дозволяє одержати достовірну інформацію, якщо вони побудовані за законами подібності. Подібними називають системи, що геометрично подібні одна іншій, в яких однойменні величини, що характеризують явище, відносяться як постійні числа, що встановлені на основі законів моделювання.

 

Планування експериментів

У широкому змісті слова планування експериментів містить в собі визначення кількості дослідів, витрат праці, часу й засобів. Природно, що основним тут є визначення кількості необхідних дослідів. У цьому випадку дослідникові найчастіше доводиться вирішувати дві головні задачі:

• встановити кількість дослідів по визначенню якоїсь фізичної величини із заданою точністю;

• визначити потрібну кількість дослідів по відшуканню функціональної залежності між величиною, що цікавить, і системою факторів, параметрів.

При цьому виходять із того, що похибка при вимірах якоїсь фізичної величини, як і її значення, якщо вона не постійна, підкорюються нормальному закону розподілу. Таке положення має місце в більшості випадків. Припускають також, що шуканий функціональний зв'язок між величинами дійсно існує. Розглянемо рішення обох перерахованих задач.

Розрізняють величини постійні (діаметр вала в заданому перерізі, його маса і т.д.) і ті, що змінюються, випадкові (об'ємна маса ґрунту, його вологість і т.д.). Для визначення постійних величин досить разових вимірів. Точність вимірювань оцінюється абсолютною D і відносною D₁ і похибками:

; ,

де у - значення даної величини, отримане більш точним приладом; а - значення величини, отримане приладом, що використовується при даних вимірюваннях.

Точність приладів характеризується граничною похибкою, що відноситься у відсотках до верхньої, найбільшої межі вимірювань (клас приладу). Граничні похибки деяких приладів наведені в табл.1.1.

При вимірюваннях змінних величин і використанні одного й того ж приладу потрібні багаторазові вимірювання. Нехай необхідно знайти значення величини у, його вимірюють приладом з похибкою D. Маємо наступні значення цієї величини: у₁, у₂,..., у_n. Результати вимірювань визначають як середньозважену арифметичну величину:

, (1.1)

де n - кількість вимірювань.

Таблиця 1.1

Спосіб застосування, інструмент, прилад	Гранична похибка,%
Стальна 20 - метрова стрічка	0,2-0,3
Планіметри лінійні і полярні	0,4-0,7
Тахометри відцентрові	0,4-2,5
Тахогенератори	2,5-4,0
Ваги:
торговельні та автомобільні	0,8-1,2
технічні	0,1-0,2
аналітичні	0,0001-0,1
Динамометри:
пружинні	1,0-3,5
гідравлічні	0,7-2,0
електричні (без підсилювача)	0,2-0,5
Ртутні манометри	1,0-2,5
Стандартні секундоміри	0,4 - 0,7
Термоелектричні перетворювачі (без підсилювача)	0,5-2,5
Термометри:	0,3 - 2,0
ртутні технічні	0,1-1,0
Напівпровідникові
Записи осцилограм при підсиленні	1,5-4,5
Магнітофонний запис при частотній модуляційні	2,0 - 5,0
Пневматичні і масляні калібратори	1,0-8,0

 

Точність результату характеризує середньоквадратичне відхилення:

, (1.2)

де у_і – величина і-го виміру.

На підставі виміру маємо:

,

де Ds - абсолютна помилка, що визначається середньоквадратичним відхиленням і заданою надійністю (ймовірністю) результату.

Для переважної більшості технічних вимірювань найбільшою середньою арифметичною похибкою є абсолютна похибка:

.

Це означає, що з надійністю 0,997 істинне значення виміряної величини буде знаходитись в межах:

Даним правилом можна також користуватися і при виключенні грубих помилок при вимірюваннях, відкидаючи результати, для яких . Зрозуміло, що точність і надійність результату багаторазових вимірювань тим вища, чим більше кількість вимірювань і вища точність застосовуваних приладів. Однак це збільшує трудомісткість постановки дослідів. При заданих точності і надійності результатів вимірювань кількість дослідів визначають ітераційним методом по формулі:

, (1.3)

де t - норма, що визначає гарантовану ймовірність відхилення середньої малої вибірки від середньої генеральної сукупності (табл. 1.2). При цьому, задаються кількістю дослідів n₁ на основі вимірів визначають s і далі порівнюють число із значенням n, отриманим по попередній формулі. Процес закінчується при виконанні умови n₁ > n. Орієнтовно кількість дослідів можна вибрати по табл. 1.3.

Строгих критеріїв у виборі надійності результатів вимірювань немає. Для досліджень, зв'язаних із конструкціями машини, достатньо, щоб надійність становила 0,9, при детальних дослідженнях, що є основою для наступного розрахунку, необхідна,надійність 0,95 і 0,99.