05 Глава 4 (1-7) (1084726), страница 6
Текст из файла (страница 6)
На все измерительные приборы в той или иной мере действует магнитное поле земли. Поэтому ряд электроизмерительных приборов должен быть защищен от действия магнитного поля, а также электростатических явлений. В специальной метрологической литературе разработаны схемы защит I (более высокой) и II категорий. В последние годы при исследовании процессов в строительном производстве стали широко применять электрические, электронные, частотные, радиоизотопные и другие приборы. Как правило, такие приборы требуют специальной защиты от пыли, вибрации, газа, света и др. Отсутствие такой защиты может вызвать погрешности, превышающие допустимые. Поверка средств измерений. Поверка средств измерений предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Определение погрешностей позволяет установить, соответствует ли данный прибор регламентированной степени точности и может ли он быть применим для данных измерений. При проверке средств измерений, если не требуется вносить поправок в погрешности, определяют погрешности и устанавливают, не выходят ли они за пределы допускаемых значений. Поверку средств измерений производят на различных уровнях: от специальных государственных организаций до низовых звеньев. Государственные метрологические институты и лаборатории по надзору за стандартами и измерительной техникой производят государственный контроль за обеспечением в стране единства мер. На высокоточные измерительные средства государственные метрологические организации выдают специальное свидетельство, в котором после поверки указывают номинальные значения измеряемой величины, класс точности, предельную допускаемую погрешность, результаты поверки погрешности прибора в виде таблицы, вариацию измерений. Для приборов меньшей точности свидетельство можно не выдавать, а заменять лишь указанием, что прибор удовлетворяет требованиям стандарта или инструкции. Вместо инструкции прибор (футляр) снабжают клеймом поверки. Измерительные приборы и установки различных организаций подвергают обязательной государственной поверке раз в 1—2 года. При хорошем обращении с приборами этого срока вполне достаточно для гарантированной эксплуатации. Однако в ряде случаев вследствие небрежного обращения с приборами их эксплуатационно-измерительные характеристики нарушаются, требуется поверка. В периоды между государственной проводят ведомственную поверку средств измерений. Эти поверки по объему работ иногда мало чем отличаются от госповерок. Однако, как правило, такие поверки проводят по сокращенной программе. Поэтому они более оперативные, чем государственные, проводятся по специальному графику, разработанному для данной организации. Анализ эксплуатационных качеств измерительных средств показал, что приборы и установки, хранимые более или менее длительное время на складах (1—2 года), подвергаются старению и ухудшают свои свойства. Иногда при этом погрешности превышают допустимые значения. Поэтому измерительные средства, хранимые на складе, перед применением необходимо подвергнуть рабочей поверке. Рабочая поверка средств измерений проводится в низовых звеньях, т. е. непосредственно в организациях, проводящих измерения. Такие поверки проводятся каждым экспериментатором перед началом измерений и наблюдений. В процессе рабочей поверки приходится производить различные операции: определять диапазон измерений, вариации измерений и др. В отдельных случаях выполняют регулировку и градуировку средств измерений. Под регулировкой прибора понимают операции, направленные на снижение систематических ошибок до величины, меньшей допустимой погрешности. Измерительные приборы снабжены двумя регулировочными узлами для регулировки нуля и чувствительности. Регулировка нуля предназначена для устранения систематических ошибок в диапазоне нижнего предела измерений. В ряде случаев возникают систематические погрешности, линейно возрастающие или убывающие с изменением измеряемой величины. Такую погрешность регулировкой нуля устранить невозможно. Ее можно уменьшить с помощью регулировки узла чувствительности. Поскольку погрешность различна на разных участках длины шкалы, то с помощью одновременной регулировки узла нуля и чувствительности достигают существенного снижения систематической ошибки прибора в начале, средине и конце диапазона измерения. Под градуировкой понимают нанесение меток на шкалу отсчитывающего устройства по заранее известной измеренной величине. Если шкала равномерная, то градуировка не представляет каких-либо сложностей. При градуировке нелинейных шкал предварительно регулируют прибор, крепят к нему шкалу и наносят на циферблат деления, соответствующие заранее известным значениям измеряемой величины. Наиболее распространенным способом поверки приборов и оценки его эксплуатационных характеристик является способ сравнения. Суть его сводится к сопоставлению поверяемого прибора с образцовым. Одна и та же измеряемая величина оценивается поверяемым и образцовым прибором. По отчетам судят о погрешностях, которые вносят в поверяемый прибор. Важным моментом в организации эксперимента является выбор средств измерений. Средства измерения должны: максимально соответствовать тематике, цели и задачам НИР; обеспечивать высокую производительность труда экспериментальных работ с наименьшей затратой времени и выполнение эксперимента в возможно кратчайший срок; обеспечивать требуемое качество экспериментальных работ, т. е. заданную степень точности при минимальном количестве измерений, высокую воспроизводимость и надежность; в наибольшей степени исключать систематические ошибки; желательно максимально использовать средства измерений с автоматической записью; иметь высокую экономическую эффективность при минимуме затрат людских, денежных и материальных ресурсов; обеспечивать эргономические требования эксперимента (антропометрические, санитарно-гигиенические, психофизиологические и др.); обеспечивать требования техники безопасности и пожарной профилактики. При выборе средств необходимо максимально использовать стандартно выпускаемую аппаратуру, которая приводится в специальных ежегодниках-каталогах: «Средства измерения, допущенные к выпуску в обращении в СССР». Наряду с этим средствам измерения посвящена литература, например [17, 25, 26, 28].
§ 5. Проведение эксперимента
Проведение эксперимента является важнейшим и наиболее трудоемким этапом. Экспериментальные работы необходимо проводить в соответствии с утвержденной планом-программой и особенно методикой эксперимента. Приступая к эксперименту, окончательно уточняют методику его проведения, последовательность испытаний. Иногда при этом используют метод рандомизации который заключается в том, что опыты проводят в случайной последовательности, определяемую с помощью перечня случайных чисел. Этим способом исключают систематические ошибки, которые могут возникнуть при субъективном назначении последовательности испытаний. Допустим, необходимо определить последовательность проведения пяти опытов. Пронумеруем их: 1, 2, 3, 4, 5. Поставим им в соответствие любые пять последовательных чисел, взятых в любой строке или столбце случайных чисел, например, вторая строка 88, 40, 52, 92, 29, т. е. 1 — 88; 2—40; 3—52; 4—0,2; 5—29. Расположив случайные цифры в порядке возрастания (убывания), получим последовательность проведения опытов: 4, 5, 2, 3, 1 или 1, 3, 2, 5, 4.
При экспериментальном исследовании сложных процессов часто возникают случаи, когда ожидаемый результат получают позже, чем предусматривается планом. Поэтому научный работник должен проявить терпение, выдержку, настойчивость и довести эксперимент до получения результатов. Особое значение имеет добросовестность при проведении экспериментальных работ. Экспериментатор должен фиксировать все характеристики исследуемого процесса, не допуская субъективного влияния на результаты измерений. Иногда молодые научные работники, стремясь быстрее получить нужный результат, подтверждающий гипотезу, выбирают только те экспериментальные данные, которые хорошо согласуются с теоретическими предположениям. В этом случае иногда упускаются ценные данные об исследуемом процессе, которые впоследствии могут быть восстановлены с большим трудом. В процессе проведения экспериментальных работ недопустима небрежность, что приводит к большим искажениям, ошибкам. В связи с этим эксперименты повторяют, что увеличивает продолжительность исследования. Обязательным требованием проведения эксперимента является ведение журнала. Форма журнала может быть произвольной, но должна наилучшим образом соответствовать исследуемому процессу с максимальной фиксацией всех факторов. В журнале отмечают тему НИР и тему эксперимента, фамилию исполнителя, время и место проведения эксперимента, характеристику окружающей среды, данные об объекте эксперимента и средствах измерения, результаты наблюдений, а также другие данные для оценки получаемых результатов. Журнал нужно заполнять аккуратно, без каких-либо исправлений. При получении в одном статистическом ряду результатов, резко отличающихся от соседних измерений, исполнитель должен записать все данные без искажений и указать обстоятельства, сопутствующие указанному измерению. Это позволит установить причины искажений и квалифицировать измерения как соответствующие реальному ходу процесса или как грубый промах. Если в процессе измерения необходимы простейшие расчеты, то они должны быть выполнены безупречно. При проведении эксперимента исполнитель должен непрерывно следить за средствами измерений: устойчивостью аппаратов и установок, правильностью их показаний, характеристики окружающей среды, не допускать посторонних лиц в рабочую зону. Исполнитель обязан систематически проводить рабочую поверку средств измерений. В случае, если рабочая поверка не обеспечивает требуемую точность приборов, то эксперимент необходимо приостановить, а средства измерения передать на госповерку. Первостепенное внимание экспериментатор должен уделять контролю качества экспериментальных работ, т. е. обеспечивать надежность работы средствизмерений, воспроизводительность измерений, соблюдать требуемую точность и достоверность получаемых результатов. Одновременно с производством измерений исполнитель должен проводить предварительную обработку результатов и их анализ. Здесь особо должны проявляться его творческие способности. Такой анализ позволяет контролировать исследуемый процесс, корректировать эксперимент, улучшать методику и повышать эффективность эксперимента. Важны при этом консультации с коллегами по работе и особенно с научным руководителем. В процессе экспериментальных работ необходимо соблюдать требования инструкций по промсанитарии, технике безопасности, пожарной профилактике. Исполнитель должен уметь организовать рабочее место, руководствуясь принципами научной организации труда. Все изложенное особо тщательно необходимо соблюдать при выполнении производственных экспериментов. Вследствие больших объемов работ и значительной их трудоемкости ошибки, допущенные в процессе эксперимента, могут существенно увеличить продолжительность исследований и уменьшить их точность. Вначале результаты измерений сводят в таблицы по варьирующим характеристикам для различных изучаемых вопросов. Очень тщательно изучают сомнительные цифры, резко отличающиеся от статистического ряда наблюдений, от средних значений. При анализе цифр необходимо установить точность, с которой нужно производить обработку опытных данных. Точность обработки не должна быть выше точности измерений. Особое место принадлежит анализу эксперимента. Это завершающая часть, на основе которой делают вывод о подтверждении гипотезы научного исследования. Анализ эксперимента - это творческая часть исследования. Иногда за цифрами трудно четко представить физическую сущность процесса. Поэтому требуется особо тщательное сопоставление фактов, причин, обусловливающих ход того или иного процесса и установление адекватности гипотезы и эксперимента. Ниже изложены методы обработки и анализа эксперимента.
§ 6. Методы графического изображения результатов измерений
При обработке результатов измерений и наблюдений широко используют методы графического изображения. Результаты измерений, представленные в табличной форме, не позволяют достаточно наглядно характеризовать закономерности изучаемых процессов. Графическое изображение дает наиболее наглядное представление о результатах экспериментов, позволяет лучше понять физическую сущность исследуемого процесса, выявить общий характер функциональной зависимости изучаемых переменных величин, установить наличие максимума или минимума функции. После обработки результатов измерений и оценки степени точности необходимо их свести в таблицы для анализа. Данные таких таблиц обрабатывают графическими методами. Для графического изображения результатов измерений (наблюдений), как правило, применяют систему прямоугольных координат. Если анализируется графическим методом функция у=f(x), то наносят в системе прямоугольных координат значения (рис. 4.2). Прежде чем строить график, необходимо знать ход (течение) исследуемого явления. Как правило, качественные
закономерности и форма графика экспериментатору ориентировочно известны из теоретических исследований. Точки на графике необходимо соединять плавной линией так, чтобы она по возможности ближе проходила ко всем экспериментальным точкам. Если соединить точки прямыми отрезками, то получим ломаную кривую. Она характеризует изменение функции по данным эксперимента. Обычно функции имеют плавный характер. Поэтому при графическом изображении результатов измерений следует проводить между точками плавные кривые. Резкое искривление графика объясняется погрешностями измерений. Если бы эксперимент повторили с применением средств измерений более высокой точности, то получили бы меньшие погрешности, а ломаная кривая больше бы соответствовала плавной кривой. Однако могут быть исключения. Так, иногда исследуются явления, для которых в определенных интервалах наблюдается быстрое скачкообразное изменение одной из координат (рис. 4.3). Это объясняется сущностью физико-химических процессов, например фазовыми превращениями влаги при исследовании промерзающих систем, радиоактивным распадом атомов в процессе исследования радиоактивности и т. д. В таких случаях необходимо особо тщательно соединять точки кривой. Общее «осреднение» всех точек плавной кривой может привести к тому, что скачок функции подменяется погрешностями измерений. Иногда при построении графика одна-две точки резко удаляются от кривой. Вначале нужно проанализировать физическую сущность явления, и если нет основания полагать наличие скачка функции. то такое резкое отклонение можно объяснить грубой ошибкой или промахом. Это может возникнуть тогда, когда данные измерений предварительно не исследовались на наличие грубых ошибок измерений. В таких случаях необходимо повторить измерение в диапазоне резкого отклонения точки. Если прежнее измерение оказалось ошибочным, то на график наносят новую точку. Если же повторные измерения дадут прежнее значение, необходимо к этому интервалу кривой отнестись очень внимательно и особо тщательно проанализировать физическую сущность явления. Часто при графическом изображении результатов экспериментов приходится иметь дело с тремя переменным b = f(x,y,z).В этом случае применяют метод разделения переменных. Одной из величин в пределах интервала измерений
задают несколько последовательных значений. Для двух остальных переменных x и у (при
=const) строят графики y=
(x) В результате на одном графике получают семейство кривых у=
(x) для различных значений z (рис. 4.4)