когда экспериментатор четко не обосновал цель и задачи экспе­ римента. В других случаях результаты длительного, обширного эксперимента не полностью подтверждают рабочую гипотезу научного исследования. Как правило, это также свойственно для эксперимента, четко не обоснованного целью и задачами. По­ этому прежде, чем приступить к экспериментальным исследо­ ваниям, необходимо разработать методологию эксперимента.

Методология эксперимента - это общая структура экспе­

римента, т.е. постановка и последовательность эксперименталь­ ных исследований.

Методология эксперимента включает в себя следующие

основные этапы:

-разработка плана программы эксперимента;

-оценка измерений и выбор средств для проведения экс­ перимента;

-проведение эксперимента;

-обработка и анализ экспериментальных данных.

12. РАЗРАБОТКА ПЛАНА-ПРОГРАММЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

План-программа включает наименование темы исследова­ ния, рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необ­ ходимых материалов, приборов, установок, список исполните­ лей эксперимента, календарный план работ и смету работы по конструированию и изготовлению приборов. В ряде случаев план-программа включает работу по конструированию и изго­ товлению приборов, аппаратов, приспособлений, методическое их обследование, а также программы опытных работ на заводах, в строительстве и т.п.

Основу плана-программы эксперимента составляет мето­ дика эксперимента. Методика эксперимента включает в себя:

-цель и задачи эксперимента;

-выбор варьирующих факторов;

-обоснование средств и потребного количества изме­

рений; - описание проведения эксперимента;

- обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

Цель и задачи эксперимента. Четко обоснованные задачи

—это большой вклад в их решение. Количество задач не должно быть слишком большим. Для конкретного, не комплексного эксперимента оптимальным количеством поставленных задач является 3-4 задачи. В большом комплексном эксперименте их может быть 8-10.

Выбор варьирующих факторов - это установление основ­

ных и второстепенных характеристик, влияющий на исследуе­ мый процесс. В начале анализируют расчетные (теоретические) схемы процесса. На основе этого классифицируют все факторы

исоставляют из них убывающий по важности для данного экс­ перимента ряд. Правильный выбор основных и второстепенных факторов играет важную роль в эффективности эксперимента, поскольку эксперимент и сводится к нахождению зависимостей между этими факторами.

Вотдельных случаях трудно сразу выявить роль основных

ивторостепенных факторов. При этом необходимо выполнить небольшой по объему предварительный поиск.

Основным принципом установления степени важности характеристики является ее роль в исследуемом процессе. Для этого изучают процесс в зависимости от какой-то одной пере­ менной при остальных постоянных. Если же переменных вели­ чин много, целесообразен принцип многофакторного анализа.

Обоснование средств измерений - это выбор необходи­

мых для наблюдения и измерений приборов, оборудования, ма­ шин, аппаратов и др. Ежегодно издаются каталоги на средства измерения, по которым можно заказать выпускаемые средства измерения.

Очень ответственной частью является установление точ­ ности измерений и погрешностей. Методы измерений должны базироваться на законах специальной науки - метрологии, изу­ чающей средства и методы измерений.

Важным разделом методики является выбор методов об­ работки и анализа экспериментальных данных. Обработка дан­ ных сводится к систематизации всех цифр, классификации, ана­ лизу. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобо­

читаемые формы записи - таблицы, графики, формулы, номо­ граммы, позволяющие быстро и качественно сопоставлять по­ лученные результаты.

Проведение эксперимента. Проведение эксперимента яв­

ляется важнейшим и наиболее трудоемким этапом. Эксперимен­ тальные работы необходимо проводить в соответствии с утвер­ жденной планом-программой и особенно методикой экспери­ мента. При определении последовательности испытаний иногда используют метод рандомизации, который заключается в том, что опыты проводят в случайной последовательности, опреде­ ляемой с помощью перечня случайных чисел. Этим способом исключают систематические ошибки, которые могут возникнуть при субъективном назначении последовательности испытаний.

Особое значение имеет добросовестность при проведении эксперимента. Экспериментатор должен фиксировать все харак­ теристики исследуемого процесса, не допуская субъективного влияния на результаты измерений. Обязательным требованием проведения эксперимента является введение журнала. Форма журнала может быть произвольной. В журнале отмечают тему НИР и тему эксперимента, фамилию исполнителя, время и ме­ сто проведения эксперимента, характеристику окружающей среды, данные об объекте эксперимента и средствах измерений, результаты наблюдений, а также другие данные для оценки по­ лучаемых результатов. Журнал нужно заполнять аккуратно, без каких-либо исправлений. При получении в одном статистиче­ ском ряду результатов, резко отличающихся от соседних изме­ рений, исполнитель должен записать все данные без искажений и указать обстоятельства, сопутствующие указанному экспери­ менту. Это позволяет установить причины искажений и квали­ фицировать измерения, как соответствующие реальному ходу процесса или как грубый промах.

При проведении эксперимента исполнитель должен не­ прерывно следить за средствами измерений: устойчивостью ап­ паратов и установок, правильностью их показаний, характери­ стику окружающей среды, не допускать посторонних лиц в ра­ бочую зону. Исполнитель обязан систематически проводить ра­ бочую проверку средств измерений. Одновременно с провеДе“ нием поверки средств измерений исполнитель должен повысить

точность и достоверность измерений, необходимо уменьшить погрешности.

Погрешности классифицируют на систематические и слу­ чайные. Систематическими называют такие погрешности, ко­

торые при повторных экспериментах остаются постоянными. Случайными называют такие погрешности, возникающие чисто

случайно при повторном измерении. Эти измерения могут быть исключены как систематические.

Разновидность случайных погрешностей - грубая по­ грешность или промах. Как правило, это ошибки эксперимента­ тора. Их легко обнаружить. В расчет эти погрешности не берут. Таким образом, можно записать:

е = 8i + е2,

где С\ и е2 - систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности можно разделить на

5групп:

1.Инструментальные, возникающие вследствие наруше­

ний средств измерений, люфтов и трения, неточности градуиро­ вочной шкалы, износа и старения узлов и деталей средств

измерений и т.д.

2.Погрешности, которые возникают из-за неправильной установки средств измерений.

3.Погрешности, возникающие в результате действия внешней среды: изменения температуры, атмосферного давле­ ния, влажности воздуха, вибраций и колебаний и т.д.

4.Субъективные погрешности, возникающие вследствие индивидуальных физиологических, психофизиологических, ан­

тропологических свойств человека.

5. Погрешности метода. Они появляются в результате не­ обоснованного метода измерений (при различных упрощениях схем или функциональных зависимостей, при отсутствии теоре­ тических обоснований метода измерения, малом количестве по­ вторений и т.д.).

Систематические погрешности могут быть постоянными и переменными, увеличивающимися и уменьшающимися в про­ цессе эксперимента. Их обязательно нужно исключить.

13. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Неотъемлемой частью экспериментальных исследований являются средства измерений, т.е. совокупность технических средств, которые дают необходимую информацию для экспери­ мента. Любое испытание, в конечном счете, сводится к какимлибо измерениям. Реально измерению поддаются не так уж мно­ го физических величин. Так, при испытаниях строительных ма­ териалов измеряемых величин не более десятка. Это линейные размеры, объем, масса, сила, давление, температура, плотность. Почти все другие величины, характеризующие свойства строи­ тельных материалов, получают вычислением по формулам на основании проделанных измерений. Так, невозможно измерить прочность материала. Измеряют разрушающую силу и площадь образца, на которую эта сила действует, а прочность вычисляют. Не измеряют коэффициент теплопроводности, морозостойкость, водопоглощение и т.д., все эти величины также вычисляют на основании измерений.

Измерительные системы относятся к классу информаци­ онных систем, который включает в себя системы централизо­ ванного контроля, технической диагностики, распознавания и управления. Основной задачей измерительных систем, исполь­ зуемых при испытаниях строительных материалов, является из­ мерение и регистрация разнообразных физических величин, ха­ рактеризующих испытуемый материал.

Средства измерений можно разделить на группы для из­ мерения физических, механических, химических свойств, а так­ же структуры изделий и материалов.

Можно выделить прямые и косвенные измерения. Напри­

мер, определение прочности пресса - прямое измерение, а ско­ рости прохождения ультразвука - косвенное.

К средствам измерения относят - измерительный инстру­ мент, измерительные приборы и установки. Измерительные средства делят на образцовые и технические. Образцовые - это

эталоны, они предназначены для проверки технических измери­ тельных средств. Образцовые технические средства не обяза­ тельно должны быть точнее технических, но должны быть ста­ бильнее и надежнее в воспроизведении. Эталонные средства не

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.